Zdolność cząsteczek białka do utrzymania swojej struktury. Kurs „Molekularne podstawy procesów życiowych. Zadania do pracy pozalekcyjnej

Każde białko opiera się na łańcuchu polipeptydowym. Nie jest tylko wydłużony w przestrzeni, ale zorganizowany w trójwymiarową strukturę. Dlatego istnieje koncepcja 4 poziomów przestrzennej organizacji białka, a mianowicie pierwszorzędowych, drugorzędowych, trzeciorzędowych i czwartorzędowych struktur cząsteczek białka.

PODSTAWOWA STRUKTURA

Podstawowa struktura białka- sekwencja fragmentów aminokwasów trwale (i przez cały okres istnienia białka) połączonych wiązaniami peptydowymi. Istnieje okres półtrwania cząsteczek białka - dla większości białek wynosi około 2 tygodnie. Jeśli co najmniej jedno wiązanie peptydowe zostanie zerwane, powstaje kolejne białko.

STRUKTURA WTÓRNA

Struktura wtórna jest przestrzenną organizacją rdzenia łańcucha polipeptydowego. Istnieją 3 główne typy struktur wtórnych:

1) Alfa helisa - ma pewne cechy: szerokość, odległość między dwoma zwojami spirali. Białka charakteryzują się prawoskrętną helisą. Na 10 zwojów tej helisy przypada 36 reszt aminokwasowych. Dla wszystkich peptydów ułożonych w taką helisę, helisa ta jest absolutnie taka sama. Helisa alfa jest unieruchomiona za pomocą wiązań wodorowych pomiędzy grupami NH jednego zwoju helisy i grupami C=O sąsiedniego zwoju. Te wiązania wodorowe są ułożone równolegle do osi helisy i powtarzają się wielokrotnie, dzięki czemu mocno utrzymują strukturę helisy. Co więcej, są one utrzymywane w stanie nieco napiętym (jak ściśnięta sprężyna).

Struktura fałdu beta - lub struktura złożonego arkusza. Jest również związany przez wiązania wodorowe pomiędzy grupami C=O i NH. Naprawia dwie części łańcucha polipeptydowego. Obwody te mogą być równoległe lub antyrównoległe. Jeśli takie wiązania powstają w obrębie tego samego peptydu, to zawsze są antyrównoległe, a jeśli pomiędzy różnymi polipeptydami, to są równoległe.

3) Nieregularna struktura - rodzaj struktury drugorzędowej, w której ułożenie różnych odcinków łańcucha polipeptydowego względem siebie nie jest regularne (stałe), dlatego struktury nieregularne mogą mieć różną konformację.

STRUKTURA TRZECIOROWA

Jest to trójwymiarowa architektura łańcucha polipeptydowego – szczególne względne rozmieszczenie w przestrzeni spiralnych, złożonych i nieregularnych odcinków łańcucha polipeptydowego. Różne białka mają różne struktury trzeciorzędowe. W tworzeniu struktury trzeciorzędowej biorą udział wiązania dwusiarczkowe i wszystkie słabe typy wiązań.

Istnieją dwa ogólne typy struktury trzeciorzędowej:

1) W białkach włóknistych (na przykład kolagenie, elastynie), których cząsteczki mają wydłużony kształt i zwykle tworzą struktury tkanki włóknistej, struktura trzeciorzędowa jest reprezentowana albo przez potrójną helisę alfa (na przykład w kolagenie), albo beta- konstrukcje plisowane.

2) W białkach globularnych, których cząsteczki mają kształt kuli lub elipsy (nazwa łacińska: GLOBULA - kula), występuje kombinacja wszystkich trzech typów struktur: zawsze są obszary nieregularne, są struktury beta-arkuszowe i helisy alfa.

Zazwyczaj w białkach globularnych hydrofobowe regiony cząsteczki znajdują się głęboko w cząsteczce. Łącząc się ze sobą, rodniki hydrofobowe tworzą hydrofobowe klastry (centra). Utworzenie klastra hydrofobowego zmusza cząsteczkę do odpowiedniego wygięcia w przestrzeni. Zazwyczaj globularna cząsteczka białka zawiera kilka hydrofobowych klastrów głęboko w cząsteczce. Jest to przejaw dwoistości właściwości cząsteczki białka: na powierzchni cząsteczki znajdują się grupy hydrofilowe, dlatego cząsteczka jako całość jest hydrofilowa, a w głębi cząsteczki ukryte są rodniki hydrofobowe.

STRUKTURA CZWARTOWNIA

Nie występuje we wszystkich białkach, ale tylko w tych, które składają się z dwóch lub więcej łańcuchów polipeptydowych. Każdy taki łańcuch nazywany jest podjednostką danej cząsteczki (lub protomeru). Dlatego białka o strukturze czwartorzędowej nazywane są białkami oligomerycznymi. Cząsteczka białka może zawierać identyczne lub różne podjednostki. Na przykład cząsteczka hemoglobiny „A” składa się z dwóch podjednostek jednego typu i dwóch podjednostek innego typu, to znaczy jest tetramerem. Struktury czwartorzędowe białek są utrwalone wszelkiego rodzaju wiązaniami słabymi, a czasami także wiązaniami dwusiarczkowymi.

KONFIGURACJA I KONFORMACJA CZĄSTECZKI BIAŁKA

Z tego wszystkiego, co zostało powiedziane, możemy wywnioskować, że organizacja przestrzenna białek jest bardzo złożona. W chemii istnieje pojęcie - konfiguracja przestrzenna - przestrzenny względny układ części cząsteczki sztywno połączonych wiązaniami kowalencyjnymi (na przykład: należące do stereoizomerów serii L lub serii D).

W przypadku białek stosuje się również koncepcję konformacji cząsteczki białka - określonego, ale nie zamrożonego, niezmiennego względnego ułożenia części cząsteczki. Ponieważ konformacja cząsteczki białka powstaje przy udziale słabych typów wiązań, jest ona mobilna (zdolna do zmian), a białko może zmieniać swoją strukturę. W zależności od warunków środowiskowych cząsteczka może występować w różnych stanach konformacyjnych, które łatwo przekształcają się w siebie. Energetycznie korzystne dla warunków rzeczywistych jest tylko jeden lub kilka stanów konformacyjnych, pomiędzy którymi występuje równowaga. Przejścia z jednego stanu konformacyjnego do drugiego zapewniają funkcjonowanie cząsteczki białka. Są to odwracalne zmiany konformacyjne (zachodzące w organizmie np. podczas przewodzenia impulsu nerwowego, podczas przenoszenia tlenu przez hemoglobinę). Kiedy zmienia się konformacja, część słabych wiązań ulega zniszczeniu i powstają nowe słabe wiązania.

LIGANDY

Oddziaływanie białka z substancją czasami prowadzi do związania cząsteczki tej substancji z cząsteczką białka. Zjawisko to znane jest jako „sorpcja” (wiązanie). Proces odwrotny – uwolnienie innej cząsteczki z białka – nazywany jest „desorpcją”.

Jeśli dla dowolnej pary cząsteczek proces sorpcji przeważa nad desorpcją, to jest to już sorpcja specyficzna, a sorbowana substancja nazywana jest „ligandem”.

Rodzaje ligandów:

1) Ligandem białka enzymatycznego jest substrat.

2) Ligand białka transportowego – substancja transportowana.

3) Ligand przeciwciała (immunoglobuliny) – antygen.

4) Ligand receptora hormonu lub neuroprzekaźnika – hormon lub neuroprzekaźnik.

Białko może zmienić swoją konformację nie tylko podczas interakcji z ligandem, ale także w wyniku dowolnej interakcji chemicznej. Przykładem takiej interakcji jest dodanie reszty kwasu fosforowego.

W warunkach naturalnych białka mają kilka korzystnych termodynamicznie stanów konformacyjnych. Są to stany rodzime (naturalne). Natura (łac.) – natura.

NARODOWOŚĆ CZĄSTECZKI BIAŁKA

Natywność to unikalny zespół właściwości fizycznych, fizykochemicznych, chemicznych i biologicznych cząsteczki białka, który do niej należy, gdy cząsteczka białka znajduje się w swoim naturalnym, naturalnym (natywnym) stanie.

Na przykład: białko soczewki oka – krystalina – jest wysoce przezroczysta tylko w stanie natywnym).

DENATURACJA BIAŁKA

Termin denaturacja jest używany w odniesieniu do procesu, w wyniku którego tracone są natywne właściwości białka.

Denaturacja to pozbawienie białka jego naturalnych, natywnych właściwości, któremu towarzyszy zniszczenie czwartorzędowej (jeśli taka istniała), trzeciorzędowej, a czasami drugorzędowej struktury cząsteczki białka, do której dochodzi, gdy występują w niej wiązania dwusiarczkowe i słabe w tworzeniu tych struktur ulegają zniszczeniu. Struktura pierwotna zostaje zachowana, ponieważ jest utworzona przez silne wiązania kowalencyjne. Zniszczenie struktury pierwotnej może nastąpić jedynie w wyniku hydrolizy cząsteczki białka w wyniku długotrwałego gotowania w roztworze kwasowym lub zasadowym.

CZYNNIKI POWODUJĄCE DENATURACJĘ BIAŁKA

Czynniki powodujące denaturację białek można podzielić na fizyczne i chemiczne.

Czynniki fizyczne

1. Wysokie temperatury. Różne białka mają różną wrażliwość na ciepło. Niektóre białka ulegają denaturacji już w temperaturze 40-50°C. Takie białka nazywane są termolabilne. Inne białka ulegają denaturacji w znacznie wyższych temperaturach termostabilny.

2. Promieniowanie ultrafioletowe

3. Narażenie na promieniowanie rentgenowskie i radioaktywne

4. Ultradźwięki

5. Uderzenia mechaniczne (na przykład wibracje).

Czynniki chemiczne

1. Stężone kwasy i zasady. Na przykład kwas trichlorooctowy (organiczny), kwas azotowy (nieorganiczny).

2. Sole metali ciężkich (na przykład CuSO 4).

3. Rozpuszczalniki organiczne (alkohol etylowy, aceton)

4. Alkaloidy roślinne.

5. Mocznik w wysokich stężeniach

5. Inne substancje, które mogą rozrywać słabe typy wiązań w cząsteczkach białek.

Ekspozycja na czynniki denaturacyjne służy do sterylizacji sprzętu i instrumentów, a także środków antyseptycznych.

Odwracalność denaturacji

W probówce (in vitro) jest to najczęściej proces nieodwracalny. Jeśli zdenaturowane białko zostanie umieszczone w warunkach zbliżonych do natywnych, to może ulegać renaturowaniu, ale bardzo powoli, a zjawisko to nie jest typowe dla wszystkich białek.

In vivo w organizmie możliwa jest szybka renaturacja. Dzieje się tak na skutek wytwarzania w żywym organizmie specyficznych białek, które „rozpoznają” strukturę zdenaturowanego białka, przyłączają się do niego za pomocą słabych typów wiązań i stwarzają optymalne warunki do renaturacji. Te specyficzne białka są znane jako „białka szoku cieplnego” lub „białka stresu”.

Białka stresu

Istnieje kilka rodzin tych białek, różnią się one masą cząsteczkową.

Na przykład znane jest białko hsp 70, białko szoku cieplnego o masie 70 kDa.

Takie białka znajdują się we wszystkich komórkach organizmu. Pełnią także funkcję transportu łańcuchów polipeptydowych przez błony biologiczne oraz uczestniczą w tworzeniu trzeciorzędowych i czwartorzędowych struktur cząsteczek białek. Wymienione funkcje białek stresu nazywane są funkcjami opiekuńczymi. Pod wpływem różnego rodzaju stresu indukowana jest synteza takich białek: podczas przegrzania organizmu (40-44°C), podczas chorób wirusowych, zatruć solami metali ciężkich, etanolem itp.

Stwierdzono zwiększoną zawartość białek stresowych w organizmie ludów południowych w porównaniu z rasą północną.

Cząsteczka białka szoku cieplnego składa się z dwóch zwartych kulek połączonych luźnym łańcuchem:

Różne białka szoku cieplnego mają wspólny plan budowy. Wszystkie zawierają domeny kontaktowe.

Różne białka o różnych funkcjach mogą zawierać te same domeny. Na przykład różne białka wiążące wapń mają dla wszystkich tę samą domenę, która jest odpowiedzialna za wiązanie Ca +2.

Rola struktury domen polega na tym, że zapewnia białku większe możliwości pełnienia swojej funkcji w wyniku ruchów jednej domeny względem drugiej. Obszary, w których łączą się dwie domeny, są strukturalnie najsłabszymi miejscami w cząsteczce takich białek. To właśnie tam najczęściej dochodzi do hydrolizy wiązań i zniszczenia białka.

Menu

Przestrzeń
Geografia
Człowiek
Fabuła
Biologia
Psychologia

Reklama

AA są monomeryczne jednostki strukturalne cząsteczki białka tworzące łańcuch polipeptydowy. AA można znaleźć w dwóch formach sterycznych: L- I D-. Kształty te są lustrzanie symetryczne. W nich masywny rodnik boczny R i atom H przy węglu α zmieniają miejsca. Tylko glicyna, której łańcuch boczny składa się z atomu H, nie ma tych form. Łańcuchy boczne składają się z reszt L- aminokwasy, tyle że są one kodowane przez geny. Reszty D nie są kodowane podczas syntezy białek matrycowych, ale są syntetyzowane przez specjalne enzymy. Recemizacja(przejście L- do D-) praktycznie nie zachodzi podczas biosyntezy, jak również samoistnie w białkach, ale często zachodzi podczas chemicznej syntezy peptydów.

Cząsteczka białka charakteryzuje się obecnością silnego kowalencyjny i stosunkowo słaby wiązania niekowalencyjne. To połączenie wiązań kowalencyjnych i niekowalencyjnych zapewnia cząsteczce białka pewną siłę i dynamikę podczas jej funkcjonowania (ryc. 1).

a – oddziaływanie elektrostatyczne; b – wiązania wodorowe; c – oddziaływanie niepolarnych łańcuchów bocznych spowodowane wypychaniem rodników hydrofobowych do strefy „suchej” przez cząsteczki rozpuszczalnika; d – wiązania dwusiarczkowe (podwójna zakrzywiona linia wskazuje szkielet wiązania polipeptydowego).

Rysunek 1 – Rodzaje wiązań w cząsteczce białka (wg Filippovicha).

kowalencyjny wiązania w cząsteczce białka mogą być dwojakiego rodzaju - peptyd i dwusiarczek. AA w łańcuchu białkowym są ze sobą powiązane peptyd znajomości Z I N atomy. Wiązanie peptydowe lub amidowe kwasu ( -CO-NH-), Jest typowe wiązanie kowalencyjne. Wiązanie peptydowe powstaje, gdy grupa karboksylowa jednego aminokwasu oddziałuje z grupą aminową innego. Wolne grupy aminowe i karboksylowe utworzonego dipeptydu mogą ponownie wejść w reakcję polikondensacji z nowymi cząsteczkami AA, tworząc związek wielkocząsteczkowy. Zatem za pomocą wiązania peptydowego reszty aminokwasów łączą się ze sobą, tworząc regularny szkielet cząsteczki białka, z którego rozciągają się różne grupy boczne (R 1 ... RM). Liczba jednostek łańcucha bocznego (M) jest kodowana przez gen i waha się od kilkudziesięciu do wielu tysięcy. W procesie biosyntezy białek poszczególne reszty aminokwasowe łączą się ze sobą w liniowej sekwencji:

NH-CH-CO-NH-CH-CO-…-NH-CH-CO-

Związki powstałe w wyniku kondensacji kilku AA nazywane są peptydy(di-, tri-, tetrapeptydy itp.). Peptydy mogą zawierać nie tylko proteinogenne, ale także nieproteinogenne AA. Peptydy odgrywają ważną rolę jako półprodukty w metabolizmie, a wiele z nich to związki fizjologicznie bardzo aktywne. Do peptydów zaliczają się niektóre antybiotyki (gramicydyna, licheniformina), hormony (insulina, oksytacyna, wazopresyna) i toksyny (amanityny). Peptydy mogą stanowić zamknięty łańcuch polipeptydowy, tj. mogą być cyklopeptydami, a niektóre mają nawet strukturę bicykliczną. Wśród cyklopeptydów znajdują się substancje silnie toksyczne (trujący grzyb muchomor ( Amanita falloides).

Nazwy peptydów określają nazwy AA zawarte w jego składzie, wymienione sekwencyjnie, zaczynając od N-końca i przyrostka -in- w nazwach wszystkich AA, z wyjątkiem C-końcowego , który ma wolną grupę COOH (karboksyl), zastępuje się przyrostkiem -yl. Na przykład, jeśli w tworzeniu trzech peptydów biorą udział dwie cząsteczki alaniny i jedna cząsteczka glicyny, tripeptyd nazywa się alanylalanyloglicyną lub alaalagli. Aminokwasy są oznaczane symbolami trzyliterowymi (Tabela 1).

Tabela 1 – Skróty aminokwasów

Odgrywają ważną rolę w stabilizacji struktury przestrzennej cząsteczki białka. kowalencyjne wiązania disiarczkowe (-S-S-), które powstają w wyniku utlenienia grup sulfhydrylowych reszt cysteiny. Wiązania dwusiarczkowe mogą tworzyć się pomiędzy resztami cysteiny dwóch łańcuchów polipeptydowych lub dwiema resztami cysteiny jednego łańcucha polipeptydowego, stabilizując pewną konformację cząsteczki białka. W stabilizowaniu konformacji cząsteczki białka odgrywają znaczącą rolę wiązania niekowalencyjne I interakcje. Należą do nich oddziaływania hydrofobowe, elektrostatyczne, jonowe, a także wiązania wodorowe. Wspierają one strukturę przestrzenną białka znacznie słabiej niż wiązania chemiczne ustalające sekwencję monomerów (AA) w łańcuchu białkowym.

Oddziaływanie hydrofobowe zachodzi, gdy łączą się hydrofobowe rodniki węglowodorowe i aromatyczne niektórych aminokwasów (alaniny, waliny, leucyny, izoleucyny, fenyloalaniny i tryptofanu). Proces oddziaływania hydrofobowego można przedstawić jako ruch niepolarnych grup łańcucha polipeptydowego (metylo -CH 3, etyl -C 2 H 5, fenyl -C 6 H 6) z wody do regionów hydrofobowych powstałych w wyniku stowarzyszenie tych grup. W wyniku tego ruchu we wnętrzu cząsteczki pojawiają się grupy niepolarne, znajdujące się blisko siebie, a grupy hydrofilowe znajdują się na powierzchni i stykają się z wodą.

Wiązania wodorowe powstaje pomiędzy atomami wodoru związanymi kowalencyjnie z atomem zawierającym samotną parę elektronów lub innym atomem elektroujemnym. W strukturach biologicznych wiązanie wodorowe najczęściej tworzy atom wodoru związany z tlenem lub azotem. Wiązania wodorowe mogą być wewnątrzłańcuchowe i międzyłańcuchowe. Wewnątrzłańcuchowe wiązania wodorowe stabilizują struktury α-helikalne, a międzyłańcuchowe wiązania wodorowe stabilizują struktury β-arkuszy.

Wiązania jonowe (solne). Przypuszczalnie powstają one pomiędzy zdysocjowanymi wolnymi grupami karboksylowymi (COO -) aminokwasów monoaminodikarboksylowych (glutaminowy i asparaginowy) i protonowanymi wolnymi grupami aminowymi (NH3 +) aminokwasów diamino-monokarboksylowych. Wiązania jonowe mogą być wewnątrzłańcuchowe i międzyłańcuchowe.

Poziomy organizacji strukturalnej cząsteczki wiewiórka. O właściwościach funkcjonalnych białek decyduje kolejność AA i ich struktura przestrzenna. Z tego punktu widzenia istnieją cztery poziomy: struktury pierwotne, wtórne, trzeciorzędowe i czwartorzędowe.

Pod struktura pierwotna rozumieć skład jakościowy i ilościowy AA, a także kolejność ich ułożenia w łańcuchach polipeptydowych cząsteczki białka. Cząsteczka białka może mieć jeden lub więcej łańcuchów polipeptydowych. Na przykład cząsteczka enzymu rybonukleazy oznacza jeden łańcuch polipeptydowy posiadający osiem reszt cysteinowych tworzących cztery wewnątrzcząsteczkowe wiązania dwusiarczkowe. Hormon insuliny składa się z dwóch łańcuchów polipeptydowych połączonych mostkami dwusiarczkowymi pomiędzy resztami cysteiny.

Struktura wtórna pokazuje konfigurację przestrzenną cząsteczki białka. Istnieją trzy typy struktury wtórnej: α-helikalna, β-plisowana i helisa kolagenowa.

Odgrywają ważną rolę w stabilizacji struktury wtórnej. wiązania wodorowe, które powstają pomiędzy atomem wodoru połączonym z elektroujemnym atomem azotu jednego wiązania peptydowego i karbonylowym atomem tlenu czwartego aminokwasu z niego i są skierowane wzdłuż osi helisy. Obliczenia energii pokazują, że prawoskrętna α-helisa jest bardziej wydajna (rys. 2). Włókniste α-keratyny (wełna, skóra, pióra) składają się z kilku łańcuchów polipeptydowych o prawoskrętnej konfiguracji α-helisy i tworzą mocne superspirale, które pełnią funkcje mechaniczne.

Rycina 2 – konfiguracja α-helikalna struktury białka

Inny rodzaj drugorzędowej struktury białka nazywa się Struktura arkusza β lub warstwa β-plisowana. Na ryc. Na rysunku 3 przedstawiono model takiej konstrukcji (a – widok z boku, b – widok z góry). Kropki na rysunku pokazują międzyłańcuchowy wodór

Rycina 3 – Konfiguracja β-kartki struktury białka

nowe połączenia. Przy takim układzie przestrzennym tworzy się układ równoległych i antyrównoległych fragmentów jednego lub większej liczby łańcuchów polipeptydowych. Łańcuchy polipeptydowe w układach są całkowicie wydłużone. Fałdy pojawiają się ze względu na fakt, że płaszczyzny dwóch sąsiednich wiązań peptydowych tworzą pewien kąt. Układ stabilizowany jest poprzecznymi wiązaniami wodorowymi pomiędzy łańcuchami ułożonymi prostopadle do orientacji wiązań polipeptydowych. Odległość między łańcuchami wynosi 0,95 nm, a okres identyczności wzdłuż łańcucha wynosi 0,70 nm dla łańcuchów równoległych i 0,65 nm dla łańcuchów przeciwrównoległych. Struktura ta jest charakterystyczna dla białek fibrylarnych (β-keratyny, fibroiny itp.). W szczególności β-keratyna charakteryzuje się równoległym ułożeniem łańcuchów polipeptydowych, które są dodatkowo stabilizowane międzyłańcuchowymi wiązaniami S-S. W fibroinie jedwabiu sąsiednie łańcuchy polipeptydowe są antyrównoległe.

Trzecim rodzajem struktury wtórnej jest spirala kolagenowa. Składa się z trzech spiralnych łańcuchów w kształcie pręta o średnicy 1,5 nm i długości około 300 nm. Spiralne łańcuchy owijają się wokół siebie i tworzą superhelisę. Odległość pomiędzy dwiema resztami AK wzdłuż osi helisy wynosi 0,29 nm, a na jeden obrót helisy przypada 3,3 reszt. Helix kolagenu jest stabilizowany przez wiązania wodorowe, które powstają pomiędzy wodorem grup peptydowych NH reszt AA jednego łańcucha i tlenem grup CO reszt AA drugiego łańcucha. Taka struktura nadaje białku wysoką elastyczność i wytrzymałość.

Struktura trzeciorzędowa. Większość białek w stanie natywnym ma bardzo zwartą strukturę, o której decyduje wielkość, kształt, polarność rodników AK, a także sekwencja AK (ryc. 4). Tworzenie natywnej struktury globularnej jest procesem wieloskładnikowym, opartym na różnego rodzaju oddziaływaniach niekowalencyjnych. Przekształceniu rozwiniętego łańcucha polipeptydowego w zwartą cząsteczkę towarzyszą hydrofobowe oddziaływania rodników węglowodorowych takich aminokwasów jak leucyna, izoleucyna, fenyloalanina, tryptofan, które są wystarczająco oddalone od siebie w łańcuchu polipeptydowym. Prawie wszystkie są niepolarne lub rodniki hydrofobowe Te AK znajdują się wewnątrz globuli i zapewniają stabilność jej struktury. Rodniki polarne lub jonowe (zwłaszcza kwas asparaginowy i glutaminowy, arginina i lizyna) znajdują się na zewnętrznej powierzchni cząsteczki i są w stanie uwodnionym. W miejscach fałdowania łańcucha polipeptydowego lokalizują się reszty takich aminokwasów jak prolina, izoleucyna i seryna, które nie są zdolne do tworzenia struktur α-helikalnych. Zatem istnieje ścisły związek pomiędzy sekwencją AK w białku a jego konformacją. Różnice w składzie aminokwasów oraz w sekwencji poszczególnych reszt AK powodują pojawienie się w łańcuchu polipeptydowym lokalnych punktów niestabilnych, w których zostaje zakłócona stabilność α-helisy i mogą powstać zagięcia pod wpływem różnych czynników molekularnych siły.

Rysunek 4 – Trzeciorzędowa struktura białka

Oddziaływania hydrofobowe, jonowe, wiązania wodorowe itp. mają istotny wpływ na proces powstawania natywnej konformacji białka lub jego struktury trzeciorzędowej. Pod wpływem tych sił następuje termodynamicznie odpowiednia konformacja cząsteczki białka i jej stabilizacja osiągnięty. Po zakończeniu procesu zwijania łańcucha polipeptydowego ważną rolę w stabilizacji jego konformacji odgrywają kowalencyjne wiązania disiarczkowe.

Obecnie rozszyfrowano trzeciorzędową strukturę mioglobiny, hemoglobiny, RNazy, lizozymu, chymotrypsyny, karboksypeptydazy i innych białek.

Pod struktura czwartorzędowa implikuje charakterystyczny sposób łączenia i przestrzennego rozmieszczania poszczególnych łańcuchów polipeptydowych, które tworzą jedną funkcjonalnie indywidualną cząsteczkę. Skład i złożoność pierwszorzędowej, drugorzędowej i trzeciorzędowej struktury podjednostek może się znacznie różnić. Na przykład cząsteczka hemoglobiny składa się z czterech podjednostek, które są połączone w multimer o masie cząsteczkowej 60000-70000, polimeraza RNA z E coli składa się z pięciu podjednostek, a białko wirusa mozaiki tytoniu zawiera kilka tysięcy identycznych podjednostek o masie cząsteczkowej około 17 500 każda. W tworzeniu struktury czwartorzędowej biorą udział wiązania wodorowe, oddziaływania elektrostatyczne, van der Waalsa i hydrofobowe.

Strukturę czwartorzędową niektórych białek charakteryzuje kulisty układ podjednostek (hemoglobina), podczas gdy inne białka łączą się w spiralne struktury czwartorzędowe zgodnie z rodzajem symetrii śrubowej (wirus mozaiki tytoniowej). Struktura czwartorzędowa została ustalona dla hemoglobiny, wirusa mozaiki tytoniu, polimerazy RNA, dehydrogenazy mleczanowej, katalazy, karbamoilazy asparaginianowej itp.

Białka są substancjami organicznymi. Te wielkocząsteczkowe związki charakteryzują się określonym składem i po hydrolizie rozkładają się na aminokwasy. Cząsteczki białek mogą występować w wielu różnych formach, a wiele z nich składa się z kilku łańcuchów polipeptydowych. Informacja o budowie białka jest zakodowana w DNA, a proces syntezy cząsteczek białka nazywa się translacją.

Skład chemiczny białek

Przeciętne białko zawiera:

52% węgla;
7% wodór;
12% azotu;
21% tlenu;
3% siarki.

Cząsteczki białek to polimery. Aby zrozumieć ich budowę, trzeba wiedzieć, jakie są ich monomery – aminokwasy.

Aminokwasy

Zwykle dzieli się je na dwie kategorie: stale występujące i sporadycznie występujące. Do pierwszych zalicza się 18 i 2 kolejne amidy: kwas asparaginowy i glutaminowy. Czasami występują tylko trzy kwasy.

Kwasy te można klasyfikować na różne sposoby: ze względu na charakter łańcuchów bocznych lub ładunek ich rodników można je również podzielić ze względu na liczbę grup CN i COOH.

Podstawowa struktura białka

Kolejność naprzemienności aminokwasów w łańcuchu białkowym determinuje jego kolejne poziomy organizacji, właściwości i funkcji. Głównym monomerem jest peptyd. Powstaje w wyniku oderwania wodoru od jednego aminokwasu i grupy OH od drugiego.

Pierwszym poziomem organizacji cząsteczki białka jest sekwencja zawartych w niej aminokwasów, po prostu łańcuch określający strukturę cząsteczek białka. Składa się z „szkieletu” o regularnej budowie. Jest to powtarzająca się sekwencja -NH-CH-CO-. Poszczególne łańcuchy boczne reprezentowane są przez rodniki aminokwasowe (R), których właściwości decydują o składzie struktury białka.

Nawet jeśli struktura cząsteczek białka jest taka sama, mogą one różnić się właściwościami tylko dlatego, że ich monomery mają inną sekwencję w łańcuchu. Kolejność aminokwasów w białku jest określana przez geny i narzuca określonym funkcjom biologicznym białka. Sekwencja monomerów w cząsteczkach odpowiedzialnych za tę samą funkcję jest często podobna u różnych gatunków. Takie cząsteczki są identyczne lub podobne w organizacji i pełnią te same funkcje w różnych typach organizmów - białkach homologicznych. Strukturę, właściwości i funkcje przyszłych cząsteczek ustala się już na etapie syntezy łańcucha aminokwasów.

Niektóre wspólne cechy

Strukturę białek bada się od dawna, a analiza ich struktury pierwotnej pozwoliła na dokonanie pewnych uogólnień. Większa liczba białek charakteryzuje się obecnością wszystkich dwudziestu aminokwasów, z których szczególnie dużo jest glicyny, alaniny, glutaminy, a mało tryptofanu, argininy, metioniny i histydyny. Jedynymi wyjątkami są niektóre grupy białek, na przykład histony. Są potrzebne do pakowania DNA i zawierają dużo histydyny.

Każdy rodzaj ruchu organizmów (praca mięśni, ruch protoplazmy w komórce, migotanie rzęsek w pierwotniakach itp.) Jest wykonywany przez białka. Struktura białek pozwala im poruszać się i tworzyć włókna i pierścienie.

Funkcja transportowa polega na tym, że wiele substancji jest transportowanych przez błonę komórkową za pomocą specjalnych białek nośnikowych.

Hormonalna rola tych polimerów jest od razu jasna: wiele hormonów ma strukturę białkową, na przykład insulina, oksytocyna.

O funkcji rezerwowej decyduje fakt, że białka mają zdolność tworzenia depozytów. Na przykład walgumina jajeczna, kazeina mleczna, białka nasion roślin - przechowują dużą ilość składników odżywczych.

Wszystkie ścięgna, stawy, kości szkieletowe i kopyta zbudowane są z białek, co prowadzi nas do ich kolejnej funkcji – wsparcia.

Cząsteczki białek są receptorami, przeprowadzającymi selektywne rozpoznawanie określonych substancji. Z tej roli szczególnie znane są glikoproteiny i lektyny.

Najważniejszymi czynnikami odporności są przeciwciała i mają one pochodzenie białkowe. Na przykład proces krzepnięcia krwi opiera się na zmianach w białku fibrynogenu. Wewnętrzne ściany przełyku i żołądka wyłożone są ochronną warstwą białek śluzowych - lycyn. Toksyny są również pochodzenia białkowego. Podstawą skóry chroniącej organizm zwierząt jest kolagen. Wszystkie te funkcje białek mają charakter ochronny.

Cóż, ostatnia funkcja ma charakter regulacyjny. Istnieją białka kontrolujące funkcjonowanie genomu. Oznacza to, że regulują transkrypcję i translację.

Bez względu na to, jak ważną rolę odgrywają białka, struktura białek została rozwikłana przez naukowców już dawno temu. A teraz odkrywają nowe sposoby wykorzystania tej wiedzy.

Wszystkie procesy zachodzące w komórce zachodzą przy udziale białek. Ich funkcje są niezwykle różnorodne. Każde białko, jako substancja o określonej budowie chemicznej, pełni jedną wysoce wyspecjalizowaną funkcję, a tylko w nielicznych pojedynczych przypadkach kilka wzajemnie ze sobą powiązanych.

Schodząc z poziomu komórkowego na poziom molekularny Napotykamy następujące główne funkcje białek:

1. Funkcja katalityczna (enzymatyczna): Liczne reakcje biochemiczne w organizmach żywych zachodzą w łagodnych warunkach, w temperaturach bliskich 40°C i wartościach pH bliskich obojętnemu. W tych warunkach szybkości większości reakcji są znikome, dlatego do ich akceptowalnej realizacji wymagane są specjalne katalizatory biologiczne - enzymy. Nawet tak prosta reakcja jak odwodnienie kwasu węglowego:

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

katalizowane przez enzym anhydraza węglanowa. Ogólnie rzecz biorąc, wszystkie reakcje, z wyjątkiem reakcji fotolizy wody 2H 2 O® 4H + + 4e - + O 2, są katalizowane przez enzymy w organizmach żywych. Z reguły enzymy są albo białkami, albo kompleksami białek z niektórymi kofaktor– jon metalu lub specjalna cząsteczka organiczna. Enzymy charakteryzują się wysoką, czasem wyjątkową, selektywnością działania. Na przykład enzymy, które katalizują addycję a-aminokwasów do odpowiednich t-RNA podczas biosyntezy białek, katalizują addycję tylko L-aminokwasów i nie katalizują addycji D-aminokwasów.

2. Funkcja transportowa białek. Białka służą do magazynowania i transportu tlenu (hemoglobiny, hemocyjaniny). Funkcja ta przypomina funkcję enzymatyczną, jednak różni się od niej tym, że O 2 nie ulega zmianom.

Do komórki musi przedostać się wiele substancji, dostarczając jej budulca i energii. Jednocześnie wszystkie błony biologiczne zbudowane są według jednej zasady - podwójnej warstwy lipidów, w której zanurzone są różne białka, z hydrofilowymi obszarami makrocząsteczek skupionymi na powierzchni błon, a hydrofobowymi „ogonami” w grubość membrany. Struktura ta jest nieprzepuszczalna dla tak ważnych składników, jak cukry, aminokwasy i jony metali alkalicznych. Ich przenikanie do komórki odbywa się za pomocą specjalnych białek transportowych osadzonych w błonie komórkowej.

3. Funkcje regulacyjne- polipeptydy o niskiej masie cząsteczkowej (insulina, oksytocyna), hormony stymulują aktywność funkcjonalną w komórkach innych tkanek i narządów.

4. Ochronna funkcja immunologiczna. Układ odpornościowy ma zdolność reagowania na pojawienie się obcych cząstek poprzez wytwarzanie ogromnej liczby limfocytów, które mogą specyficznie uszkadzać te cząstki, którymi mogą być obce komórki, takie jak bakterie chorobotwórcze, komórki nowotworowe, cząstki supramolekularne, takie jak wirusy, makrocząsteczki, w tym białka obce. Jedna z grup limfocytów - Limfocyty B, wytwarza specjalne białka uwalniane do układu krążenia, które rozpoznają obce cząstki, tworząc na tym etapie zniszczenia wysoce specyficzny kompleks. Te białka są immunoglobuliny organizmy wyższe, chronią je przed obcymi biopolimerami ze względu na ich specyficzną budowę (grupę funkcyjną).

5.Funkcja przechowywania, przesyłania sygnałów chemicznych i elektrycznych.

6. Funkcja strukturalna. Oprócz białek pełniących subtelne, wysoce wyspecjalizowane funkcje, istnieją białka o znaczeniu głównie strukturalnym. Zapewniają wytrzymałość mechaniczną i inne właściwości mechaniczne poszczególnych tkanek organizmów żywych. Przede wszystkim to kolagen- główny składnik białkowy macierzy zewnątrzkomórkowej tkanki łącznej. U ssaków kolagen stanowi do 25% całkowitej masy białek. W tkankach elastycznych – skórze, ścianach naczyń krwionośnych, płucach – oprócz kolagenu, macierz zewnątrzkomórkowa zawiera białko elastyna, zdolny do dość szerokiego rozciągnięcia i powrotu do pierwotnego stanu.

Innym przykładem białka strukturalnego jest fibroina jedwab, wydzielany przez gąsienice jedwabników podczas formowania się poczwarek i będący głównym składnikiem nici jedwabnych.

7. Białka motoryczne. Skurcz mięśni to proces, podczas którego energia chemiczna zmagazynowana w postaci wysokoenergetycznych wiązań pirofosforanowych w cząsteczkach ATP zamieniana jest na pracę mechaniczną. Bezpośrednimi uczestnikami procesu skurczu są dwa białka - aktyna i miozyna.

8. Funkcja receptora. Duże znaczenie, zwłaszcza dla funkcjonowania organizmów wielokomórkowych, mają białka receptorowe, osadzony w błonie komórkowej komórek i służący do odbierania i przekształcania różnych sygnałów docierających do komórki, zarówno z otoczenia, jak i z innych komórek. Najbardziej zbadane są receptory acetylocholiny, zlokalizowane na błonie komórkowej w szeregu kontaktów międzyneuronowych, w tym w korze mózgowej i na połączeniach nerwowo-mięśniowych. Białka te specyficznie oddziałują z acetylocholiną i reagują, przekazując sygnał do komórki. Po odebraniu i przetłumaczeniu sygnału neuroprzekaźnik musi zostać usunięty, aby przygotować komórkę na odbiór kolejnego sygnału.

9. Toksyny: Wiele żywych organizmów wytwarza wysoce toksyczne substancje – toksyny – w celu ochrony przed potencjalnymi wrogami. Wiele z nich to białka, jednak są wśród nich także złożone, niskocząsteczkowe cząsteczki organiczne. Przykładem takiej substancji jest trujący początek muchomora - a-amanityna: Związek ten specyficznie blokuje syntezę eukariotycznego mRNA. Dla człowieka dawka śmiertelna to kilka mg tej toksyny.

Struktura pierwotna i wtórna białek. Białka nie są jednostkami statycznymi. Są to struktury, które w procesie biologicznego funkcjonowania mogą ulegać pewnym zmianom konformacyjnym. Analizę konformacji przeprowadza się w oparciu o różne poziomy organizacji cząsteczek białka. Już w 1959 roku K. Linderström-Lang zidentyfikował cztery poziomy organizacji strukturalnej białek - strukturę pierwszorzędową, drugorzędową, trzeciorzędową i czwartorzędową. Później, na podstawie porównania danych z analizy dyfrakcji promieni rentgenowskich, kalorymetrii i innych metod, zidentyfikowano dwa kolejne poziomy organizacji - struktury superwtórne i domeny białkowe.

Sekwencja aminokwasów nazywana jest pierwotną strukturą białka. Badanie rozmieszczenia aminokwasów w białkach stanowi ważny etap w badaniu struktury białek. Obecnie analiza ta przeprowadzana jest automatycznie przy wykorzystaniu urządzeń sequinatorowych. W ostatnich latach zastosowano nową metodę określania sekwencji aminokwasów. Izoluje się fragment DNA zawierający gen struktury danego białka, sekwencję nukleotydową rozszyfrowuje się i zgodnie z kodem genetycznym tłumaczy na sekwencję aminokwasów. Struktura pierwotna to jednowymiarowa reprezentacja cząsteczki białka. Znajomość struktury pierwszorzędowej służy do przewidywania drugorzędowej i trzeciorzędowej struktury białka. Jednoczesne wykorzystanie sekwencji aminokwasów i krystalograficznych map gęstości elektronowej umożliwia odtworzenie przestrzennego układu wszystkich grup atomowych w białku.

W łańcuchu polipeptydowym grupa peptydowa jest płaska i sztywna. Łańcuch polipeptydowy można przedstawić jako sekwencję podobnych płaszczyzn (grup peptydowych) połączonych ze sobą wiązaniami pojedynczymi. Rotacja wokół tych wiązań nie jest całkowicie swobodna ze względu na ograniczenia steryczne. Kąt obrotu wokół wiązań C – C a oznaczamy przez ψ, a kąt obrotu wokół wiązań N – C a oznaczają φ. G. Ramachandran obliczył stany konformacyjne łańcucha polipeptydowego za pomocą komputera i określił zakres możliwych wartości ψ i (wykresy Ramachandrana lub mapy konformacyjne). Na mapach konformacyjnych wartości kątów ψ i φ w białkach nie są arbitralne; są wyraźnie ograniczone do określonych regionów, co wskazuje na istnienie ograniczonej liczby konformacji łańcucha polipeptydowego.

Przez strukturę drugorzędową białka rozumie się uporządkowany układ łańcucha polipeptydowego, stabilizowanego wiązaniami wodorowymi pomiędzy nimi grupy peptydowe. Biorąc pod uwagę ten poziom strukturalny, mówimy o lokalnej konformacji odcinków łańcucha polipeptydowego. Najbardziej powszechną i najbardziej korzystną energetycznie i sterycznie strukturą wtórną jest prawa α– spirala, co jako pierwsi postulowali L. Pauling i R. Corey (1951). Najważniejsze cechy α– helisa: 1) liczba reszt aminokwasowych na stopień helisy wynosi 3,6; 2) skok helisy d = 0,54 nm; 3) translacja na resztę wzdłuż helisy Δd = 0,15 nm; 4) promień α– spirale R= 0,23 nm; 5) wiązania wodorowe (równolegle do osi helisy) powstają pomiędzy każdą pierwszą i czwartą grupą peptydową; 6) za α– spirale φ = -57° i ψ = -47°. Jak widać na przekroju α– Przy każdym zakręcie spirala przesuwa się w prawo o 60°. W wyniku takiego przesunięcia dopiero po 10 obrotach 1. grupa peptydów dokładnie zbiegnie się z 36. grupą peptydów.

Struktury drugorzędowe cząsteczek białka to równoległe i antyrównoległe arkusze β (lub struktura β). Na mapie konformacyjnej Ramachandrana dla arkusza β z łańcuchami antyrównoległymi φ = -139° i ψ = +135°, dla warstwy β z równoległymi łańcuchy φ = - 119° i ψ = +113°. Większość mają nie więcej niż sześć łańcuchów polipeptydowych stabilizowanych wiązaniami wodorowymi i sześć reszt aminokwasowych na długości każdego łańcucha. Wymiary takiej blachy to: szerokość t = 2,5 nm, długość l = 2,0 nm. Większość złożonych arkuszy ma kształt zwinięty. Skręcenie jest prostopadłe do wydłużonych łańcuchów.

Kolejnym poziomem organizacji cząsteczek białek są struktury superwtórne. Przykładem takich struktur są struktury superhelikalne. Istnieją dwa α– helisy (w tropomiozynie, lekkiej meromiozynie, paramiozynie) lub trzy α -helisy (w fibrynogenie) są skręcone względem siebie. Skok superskrętki w lekkiej meromiozynie wynosi α= 18,6 nm. Na przykładzie tropomiozyny o znanej sekwencji aminokwasów stwierdzono, że superhelisa jest stabilizowana poprzez oddziaływania hydrofobowe pomiędzy poszczególnymi α -spirale.

Pierwotna struktura łańcucha i tworzenie globul białkowych

Jednym z najważniejszych problemów fizyki białek jest problem związku pomiędzy pierwszorzędową strukturą łańcucha polipeptydowego a przestrzenną strukturą globuli. Natywna struktura przestrzenna makrocząsteczek jest biologicznie funkcjonalna, a struktura pierwotna jest zakodowana genetycznie. I dlaczego cząsteczka białka tworzy globulę, czyli inaczej mówiąc, dlaczego białko jest zdolne do samoorganizacji i białko w tym stanie może już pełnić swoje funkcje? Jak odkrył Guzzo, specyficzny układ aminokwasów ma znaczenie dla przestrzennej struktury białka. Istnieją aminokwasy „niehelikalne”, które nie mogą tworzyć helis, oraz aminokwasy „helikalne”, które mogą się zginać (asp, cis, tyr, ser). Od tego zależy skręt i układ cząsteczki. A aminokwas glicyna jest szczególnie ważny dla tworzenia przestrzennej struktury białka - jest jak uniwersalny staw, który może zajmować różne pozycje.

Obecnie przyjmuje się, że samoorganizacja globulki białkowej nie jest wynikiem jakiegoś ukierunkowanego procesu. Wielu badaczy uważa, że program bezbłędnej samoorganizacji jest zakodowany w samej strukturze pierwotnej. Samoorganizacja zachodzi etapowo, tak że na każdym kolejnym etapie powstaje coraz bardziej złożona i ustabilizowana struktura.

Regularne konformacje łańcuchów polipeptydowych stabilizowanych wiązaniami wodorowymi ( α i formy β) są stabilne tylko w określonych warunkach. Zmiany temperatury, pH i rozpuszczalnika ośrodka prowadzą do przejść konformacyjnych. American Doty odkrył, że przejścia helisa-cewka zachodzą w bardzo krótkim czasie. Przejście charakteryzuje się zmianą lepkości, rozproszeniem światła itp. Ostrość przejścia wskazuje na kooperacyjny charakter, tj. Każde ogniwo makrocząsteczki jest w stanie ustalonym za pomocą wiązań wodorowych. Pod wpływem czynników zewnętrznych zmienia się opakowanie cząsteczek, tj. struktura.

Według naukowca Ptitsina w pierwszym etapie w rozwiniętym łańcuchu białkowym powstają zmienne (zmienione, niestabilne) jądra odcinków spiralnych o wydłużonej strukturze (miejscach obrazu). Na drugim etapie jedna lub więcej par zarodków łączy się, tworząc centra organizacji struktury trzeciorzędowej. W trzecim etapie centra rosną w wyniku połączenia sąsiednich odcinków łańcucha.

I na ostatnim, czwartym etapie, przez wzrost lub połączenie kilku centrów, powstaje pojedyncza zwarta struktura globuli.

Domeny białek i struktura trzeciorzędowa

Trzeciorzędowa struktura białka jest najbardziej stabilną termodynamicznie formą fałdowania i fałdowania łańcucha polipeptydowego. Powstaje pytanie: jak zachodzi fałdowanie białek, jak jednowymiarowa informacja osadzona w sekwencji aminokwasów przekształca się w informację przestrzenną? Eksperymenty dotyczące denaturacji i renaturacji białek wykazały, że procesy niszczenia i tworzenia zwartej struktury trzeciorzędowej zachodzą dość szybko: nukleaza gronkowcowa ponownie fałduje się w ciągu 1 s.

Do wyjaśnienia procesu koagulacji stosuje się model zarodkowania. Model ten zakłada, że krótkie odcinki łańcucha polipeptydowego bardzo szybko składają się niezależnie od siebie, a w drugim etapie zbliżają się do siebie, tworząc zwartą trójwymiarową strukturę. Tworzą się segmenty białkowe α -helisy i β-arkusze przy dużej prędkości. Wykazano to eksperymentalnie Przejścia spirala-cewka zachodzą w czasie od 10 -6 do 10 -8 s.

Ostatnio w białkach zidentyfikowano kolejny ważny poziom organizacji strukturalnej. Analiza map gęstości elektronowej białek o masie cząsteczkowej powyżej 20 000 wykazała, że białka składają się z kilku słabo połączonych ze sobą obszarów kulistych. Obszary te nazywane są domenami. Poszczególne domeny często można izolować z białek przy użyciu enzymów proteolitycznych, nie tracąc przy tym ich właściwości funkcjonalnych. Domena jest zdefiniowana jako region jednego łańcucha polipeptydowego zawarty w zwartej objętości. Są to odcinki łańcucha, które zwijają się i rozwijają się w białku niezależnie od siebie.

Dziedzinę można postrzegać jako stosunkowo autonomiczną jednostkę strukturalną. Za pomocą mikrokalorymetrii skaningowej Privalov wykazał obecność w złożonych białkach poszczególnych bloków kooperacyjnych, które charakteryzują się gwałtownymi przejściami strukturalnymi podczas denaturacji termicznej. Okazało się że w wielu przypadkach takie współpracujące białka dobrze odpowiadają wyizolowanym fragmentom proteolitycznym białek. Umożliwiło to identyfikację bloków kooperacyjnych z domenami białkowymi. Często izolowane fragmenty proteolityczne mają właściwości strukturalne podobne do bloków kooperacyjnych, tj. ich temperatury topnienia i entalpie przejścia pokrywają się, a także zachowują cechy funkcjonalne białek natywnych. Domeny są połączone bardzo ograniczoną liczbą wiązań peptydowych, które stosunkowo łatwo ulegają rozerwaniu przez enzymy proteolityczne.

Obecnie, wykorzystując skaningową mikroskopię elektronową i rozszczepienie proteolityczne, ustalono strukturę domenową białek wielkocząsteczkowych, takich jak immunoglobulina, miozyna, fibrynogen itp.

Domeny mogą reprezentować ważne formacje pośrednie w procesie składania natywnej struktury białka. Białka składające się z domen powinny mieć bardziej elastyczną strukturę niż białka, w których różne regiony są połączone razem. Najwyraźniej , odwracalne zmiany konformacyjne wpływające na funkcję enzymów są związane z rearanżacjami międzydomenowymi bez zmiany stabilności strukturalnej samych domen.

Hipoteza stopionej globuli. Jednym ze sposobów badania składania łańcucha polipeptydowego w strukturę trójwymiarową jest denaturacja, a następnie renaturacja cząsteczki białka.

Doświadczenia K. Anfinsena z rybonukleazą wyraźnie pokazują możliwość złożenia dokładnie takiej struktury przestrzennej, która została naruszona w wyniku denaturacji.

W tym przypadku przywrócenie konformacji natywnej nie wymaga obecności żadnych dodatkowych struktur. Jakie modele zwijania łańcucha polipeptydowego do odpowiedniej konformacji są najbardziej prawdopodobne? Jedną z powszechnych hipotez dotyczących samoorganizacji białek jest hipoteza stopionej globuli. W ramach tej koncepcji wyróżnia się kilka etapów samoorganizacji białek.

1. W rozwiniętym łańcuchu polipeptydowym za pomocą wiązań wodorowych i oddziaływań hydrofobowych powstają poszczególne odcinki struktury drugorzędowej, które służą jako zarodki do tworzenia kompletnych struktur drugorzędowych i superwtórnych.

2. Gdy liczba tych odcinków osiągnie określoną wartość progową, następuje reorientacja rodników bocznych i łańcuch polipeptydowy przechodzi do nowej, bardziej zwartej postaci, a liczba wiązań niekowalencyjnych znacznie wzrasta. Cechą charakterystyczną tego etapu jest powstawanie specyficznych kontaktów pomiędzy atomami znajdującymi się w odległych częściach łańcucha polipeptydowego, ale zbliżonymi do siebie w wyniku powstania struktury trzeciorzędowej.

3. W ostatnim etapie powstaje natywna konformacja cząsteczki białka, co wiąże się z zamknięciem wiązań dwusiarczkowych i ostateczną stabilizacją konformacji białka. Możliwa jest także nieswoista agregacja częściowo złożonych łańcuchów polipeptydowych, co można zaliczyć do błędów w tworzeniu białek natywnych. Częściowo złożony łańcuch polipeptydowy (etap 2) nazywa się stopioną kulą i sceną 3 najwolniej tworzy dojrzałe białko.

Komórki zawierają szereg katalitycznie nieaktywnych białek, które jednak w dużym stopniu przyczyniają się do tworzenia przestrzennych struktur białkowych. Są to tak zwane chapirony i chapironiny. Jeden z odkrywców chapironów molekularnych, L. Ellis, nazywa je funkcjonalną klasą niepowiązanych ze sobą rodzin białek, które pomagają w prawidłowym niekowalencyjnym składaniu innych struktur zawierających polipeptydy in vivo, ale nie są częścią złożonych struktur i nie uczestniczyć w realizacji ich normalnych funkcji fizjologicznych.

Chapirony pomagają w prawidłowym składaniu trójwymiarowej konformacji białka poprzez tworzenie odwracalnych niekowalencyjnych kompleksów z częściowo złożonym łańcuchem polipeptydowym, jednocześnie hamując nieprawidłowe wiązania prowadzące do tworzenia funkcjonalnie nieaktywnych struktur białkowych. Lista funkcji charakterystycznych dla chapironów obejmuje ochronę stopionych kuleczek przed agregacją, a także przenoszenie nowo syntetyzowanych białek do różnych loci komórkowych. Chapirony to głównie białka szoku cieplnego, których synteza gwałtownie wzrasta pod wpływem stresującej ekspozycji na temperaturę. Rodziny tych białek występują w komórkach drobnoustrojów, roślin i zwierząt. Klasyfikacja chapironów opiera się na ich masie cząsteczkowej, która waha się od 10 do 90 kDa. Zasadniczo funkcje chapironów i chapironin są różne, chociaż oba są białkami, które pomagają w tworzeniu trójwymiarowej struktury białek. Chapirony utrzymują nowo syntetyzowany łańcuch polipeptydowy w stanie niezłożonym, zapobiegając jego złożeniu do postaci odmiennej od natywnej, a chapironiny zapewniają warunki do powstania jedynej prawidłowej, natywnej struktury białka.

Czwartorzędowa struktura białek

Tworzenie się chaotycznie utworzonych agregatów jest błędem prowadzącym do pojawienia się funkcjonalnie nieaktywnych białek, dlatego komórki posiadają mechanizmy ich szybkiej degradacji i rozkładu na poszczególne aminokwasy. Jednakże w przyrodzie istnieje wiele genetycznie zdeterminowanych agregatów, które zawierają kilka łańcuchów polipeptydowych tworzących duże makrocząsteczki białkowe. Struktura czwartorzędowa odnosi się do dwóch lub więcej powiązanych ze sobą przestrzennie podjednostek. Najwyraźniej w odniesieniu do czwartorzędowej struktury białek bardziej poprawne jest mówienie nie o agregatach, ale o zespołach globul. Charakteryzując czwartorzędową strukturę białek należy wykluczyć jej pseudowarianty. Zatem hormon białkowy insulina składa się z dwóch łańcuchów polipeptydowych, ale nie są one pełnymi globulami, ale powstają w wyniku ograniczonej proteolizy pojedynczego łańcucha polipeptydowego. Kompleksy wieloenzymowe nie są białkami o prawdziwej strukturze czwartorzędowej. Są to typowe struktury supramolekularne. Podczas tworzenia struktury czwartorzędowej poszczególne podjednostki oddziałują ze sobą wyłącznie poprzez wiązania niekowalencyjne, głównie wodorowe i hydrofobowe. Bardzo istotnym faktem jest to, że powierzchnie styku oddziałujących ze sobą podjednostek są względem siebie komplementarne. W obszarach styku występują grupy hydrofobowe, które nazywane są „lepkimi plamami”.

Wzajemna orientacja atomów elektroujemnych, ułatwiona obecnością miejsc komplementarnych, przyczynia się do powstania dużej liczby wiązań wodorowych. Zapewnia to realizację efektu kooperacji i stabilizację makrocząsteczki. Ponadto mnogość wiązań niekowalencyjnych jest podstawą do przenoszenia przegrupowań strukturalnych z jednej podjednostki na drugą.

Białka o strukturze czwartorzędowej nazywane są często oligomerami. Wyróżnić homomeryczny I heteromeryczny białka. Białka homomeryczne to takie, w których wszystkie podjednostki mają tę samą strukturę. Przykładem jest katalaza białkowa, która składa się z czterech absolutnie równoważnych podjednostek. W białkach heteromerycznych poszczególne podjednostki nie tylko różnią się budową, ale mogą także pełnić odmienne funkcje. Na przykład białko polimerazy RNA składa się z pięciu podjednostek o różnych strukturach i nierównych funkcjach.

Struktura pierwotna, znana nam już z rozdziału o peptydach (rozdział 4), odnosi się do sekwencji aminokwasów w łańcuchu (lub łańcuchach) polipeptydowym oraz pozycji wiązań dwusiarczkowych, jeśli występują.

Struktura wtórna

Na tym poziomie strukturalnym opisano zależności steryczne pomiędzy aminokwasami położonymi blisko siebie wzdłuż łańcucha. Struktura wtórna może być regularna (a-helisa, złożona warstwa) lub nie wykazywać oznak regularności (zaburzona konformacja).

Struktura trzeciorzędowa

Ogólny układ, wzajemne rozmieszczenie różnych regionów, domen i poszczególnych reszt aminokwasowych pojedynczego łańcucha polipeptydowego nazywamy strukturą trzeciorzędową danego białka. Nie da się wyznaczyć wyraźnej granicy pomiędzy strukturą drugorzędową i trzeciorzędową, jednakże przez strukturę trzeciorzędową rozumie się relacje steryczne pomiędzy resztami aminokwasów, które są daleko od siebie w łańcuchu.

Struktura czwartorzędowa

Jeśli białka składają się z dwóch lub więcej łańcuchów polipeptydowych połączonych ze sobą wiązaniami niekowalencyjnymi (nie peptydowymi lub dwusiarczkowymi), wówczas mówi się, że mają strukturę czwartorzędową. Takie agregaty są stabilizowane przez wiązania wodorowe i oddziaływania elektrostatyczne pomiędzy resztami znajdującymi się na powierzchni łańcuchów polipeptydowych. Takie białka nazywane są oligomerami, a poszczególne łańcuchy polipeptydowe, które je tworzą, nazywane są protomerami, monomerami lub podjednostkami.

Wiele białek oligomerycznych zawiera dwa lub cztery protomery i nazywane są odpowiednio dimerami lub tetramerami. Oligomery zawierające więcej niż cztery protomery są dość powszechne, zwłaszcza wśród białek regulatorowych (na przykład transkarbamoilazy). Białka oligomeryczne odgrywają szczególną rolę w regulacji wewnątrzkomórkowej: ich protomery mogą nieznacznie zmieniać swoją wzajemną orientację, co prowadzi do zmian we właściwościach oligomeru. Najbardziej zbadanym przykładem jest hemoglobina (rozdział 16).

Rola struktury pierwszorzędowej w tworzeniu wyższych poziomów organizacji strukturalnej białek

Struktury drugorzędowe i trzeciorzędowe białka powstają spontanicznie i są zdeterminowane przez pierwszorzędową strukturę jego łańcucha polipeptydowego. Równolegle z syntezą łańcucha następuje jego lokalne fałdowanie (tworzenie struktury drugorzędowej) i specyficzna agregacja złożonych odcinków (tworzenie struktury trzeciorzędowej). Procesy te są określone przez grupy chemiczne rozciągające się od atomów węgla a odpowiednich reszt. Na przykład, traktowanie monomerycznego enzymu rybonukleazy łagodnym środkiem redukującym (f-merkaptoetanolem) i środkiem denaturującym (mocznikiem lub guanidyną; patrz poniżej) prowadzi do inaktywacji białka i przejścia jego do nieuporządkowanej konformacji. Jeśli czynnik denaturujący zostanie powoli usunięty i przeprowadzone zostanie stopniowe ponowne utlenienie, ponownie utworzą się wiązania SS i praktycznie przywrócona zostanie aktywność enzymatyczna. Nie ma powodu sądzić, że istnieje niezależna kontrola genetyczna nad tworzeniem się poziomów organizacji strukturalnej białek powyżej pierwotnego, ponieważ struktura pierwotna w sposób specyficzny determinuje strukturę drugorzędową, trzeciorzędową i czwartorzędową (jeśli występuje) - tj. konformacja białka. Natywna konformacja białka, w szczególności rybonukleazy, jest najwyraźniej termodynamicznie najbardziej stabilną strukturą w danych warunkach, tj. biorąc pod uwagę hydrofilowe i hydrofobowe właściwości ośrodka.

Strukturę białka po jego syntezie można modyfikować (przetwarzanie potranslacyjne); Często obserwuje się więc przekształcenie preproenzymu w formę aktywną katalitycznie lub usunięcie sekwencji „liderowej”, która warunkuje transport białek przez błony (rozdział 42).

Kompleksy białkowe wielkocząsteczkowe

Wielofunkcyjne kompleksy makromolekularne, powstałe w wyniku agregacji różnych białek funkcjonalnych, z których każde ma wszystkie cztery poziomy organizacji strukturalnej, pełnią funkcję w łańcuchu transportu elektronów (rozdział 12), uczestniczą w biosyntezie kwasów tłuszczowych (rozdział 23) i metabolizm pirogronianu (rozdział 18).