Функции и структура белка. Белки: Третичная структура белков

Белки - полимерные молекулы, в которых мономерами служат аминокислоты. В составе белков в организме человека встречают только 20 ?-аминокислот. Одни и те же аминокислоты присутствуют в различных по структуре и функциям белках. Индивидуальность белковых молекул определяется порядком чередования аминокислот в белке. Аминокислоты можно рассматривать как буквы алфавита, при помощи которых, как в слове, записывается информация. Слово несёт информацию, например о предмете или действии, а последовательность аминокислот в белке несёт информацию о построении пространственной структуры и функции данного белка.

Общая структурная особенность аминокислот - наличие амино- и карбоксильной групп, соединённых с одним и тем же?-углеродным атомом. R - радикал аминокислот - в простейшем случае представлен атомом водорода (глицин), но может иметь и более сложное строение.

Все 20 аминокислот в организме человека различаются по строению, размерам и физико-химическим свойствам радикалов, присоединённых к?-углеродному атому.

По химическому строению аминокислоты можно разделить на алифатические, ароматические и гетероциклические (табл. 1-1).

Аминокислоты могут ковалентно связываться друг с другом с помощью пептидных связей. Пептидная связь образуется между а-карбоксильной группой одной аминокислоты и?-аминогруппой другой, т.е. является амидной связью. При этом происходит отщепление молекулы воды.

Пептидные цепи содержат десятки, сотни и тысячи аминокислотных остатков, соединённых прочными пептидными связями. За счёт внутримолекулярных взаимодействий белки образуют определённую гфостранственную структуру, называемую "конформация белков". Линейная последовательность аминокислот в белке содержит информацию о построении трёхмерной пространственной структуры. Различают 4 уровня структурной организации белков, называемых первичной, вторичной, третичной и четвертичной структурами (рис. 1-3). Существуют общие правила, по которым идёт формирование пространственных структур белков.

Аминокислотные остатки в пептидной цепи белков чередуются не случайным образом, а расположены в определённом порядке. Линейную последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи называют "первичная структура белка". Линейные полипептидные цепи индивидуальных белков за счёт взаимодействия функциональных групп аминокислот приобретают определённую пространственную трёхмерную структуру, называемую"конформация" . Все молекулы индивидуальных белков (т.е. имеющих одинаковую первичную структуру) образуют в растворе одинаковую конформацию. Следовательно, вся информация, необходимая для формирования пространственных структур, находится в первичной структуре белков.

В белках различают 2 основных типа конформации полипептидных цепей: вторичную и третичную структуры.

1. Вторичная структура белков

Вторичная структура белков - пространственная структура, образующаяся в результате взаимодействий между функциональными группами, входящими в состав пептидного остова. При этом пептидные цепи могут приобретать регулярные структуры двух типов: ?-спираль и?-структура.

?-Спираль

В данном типе структуры пептидный остов закручивается в виде спирали за счёт образования водородных связей между атомами кислорода карбонильных групп и атомами азота аминогрупп, входящих в состав пептидных групп через 4 аминокислотных остатка. Водородные связи ориентированы вдоль оси спирали (рис. 1-5). На один виток?-спирали приходится 3,6 аминокислотных остатка.

В образовании водородных связей участвуют практически все атомы кислорода и водорода пептидных групп. В результате?-спираль "стягивается" множеством водородных связей. Несмотря на то, что данные связи относят к разряду слабых, их количество обеспечивает максимально возможную стабильность?-спирали. Так как все гидрофильные группы пептидного остова обычно участвуют в образовании водородных связей, гидрофильность (т.е. способность образовывать водородные связи с водой) ?-спиралей уменьшается, а их гидрофобность увеличивается.

Спиральная структура - наиболее устойчивая конформация пептидного остова, отвечающая минимуму свободной энергии. В результате образования?-спиралей полипептидная цепь укорачивается, но если создать условия для разрыва водородных связей, полипептидная цепь вновь удлинится.

Когда водородные связи образуются между атомами пептидного остова различных полипептидных цепей, их называют межцепочечными связями. Водородные связи, возникающие между линейными участками внутри одной полипептидной цепи, называют внутрицепочечными. В?-структурах водородные связи расположены перпендикулярно полипептидной цепи.

2. Третичная структура белков

Третичная структура белков - трёхмерная пространственная структура, образующаяся за счёт взаимодействий между радикалами аминокислот, которые могут располагаться на значительном расстоянии друг от друга в полипептидной цепи.

Связи, участвующие в формировании третичной структуры белков

Гидрофобные взаимодействия

При укладке полипептидная цепь белка стремится принять энергетически выгодную форму, характеризующуюся минимумом свободной энергии. Поэтому гидрофобные радикалы аминокислот стремятся к объединению внутри глобулярной структуры растворимых в воде белков. Между ними возникают так называемые гидрофобные взаимодействия, а также силы ван дер Ваальса между близко прилегающими друг к другу атомами. В результате внутри белковой глобулы формируетсягидрофобное ядро. Гидрофильные группы пептидного остова при формировании вторичной структуры образуют множество водородных связей, благодаря чему исключается связывание с ними воды и разрушение внутренней, плотной структуры белка.

Ионные и водородные связи

Гидрофильные радикалы аминокислот стремятся образовать водородные связи с водой и поэтому в основном располагаются на поверхности белковой молекулы.

Все гидрофильные группы радикалов аминокислот, оказавшиеся внутри гидрофобного ядра, взаимодействуют друг с другом с помощью ионных и водородных связей (рис. 1-11).

Ионные связи могут возникать между отрицательно заряженными (анионными) карбоксильными группами радикалов аспарагиновой и глутаминовой кислот и положительно заряженными (катионными) группами радикалов лизина, аргинина или гистидина.

Водородные связи возникают между гидрофильными незаряженными группами (такими как -ОН, -CONH 2 , SH-группы) и любыми другими гидрофильными группами. Белки, функционирующие в неполярном (ли-пидном) окружении, например белки мембран, имеют обратное устройство: гидрофильные радикалы аминокислот расположены внутри белка, в то время как гидрофобные аминокислоты локализованы на поверхности молекулы и контактируют с неполярным окружением. В каждом случае радикалы аминокислот занимают наиболее выгодное биоэнергетическое положение.

Ковалентные связи

Третичную структуру некоторых белков стабилизируют дисульфидные связи, образующиеся за счёт взаимодействия SH-групп двух остатков цистеина. Эти два остатка цистеина могут находиться далеко друг от друга в линейной первичной структуре белка, но при формировании третичной структуры они сближаются и образуют прочное ковалентное связывание радикалов.

Четвертичная структура белков

Многие белки содержат в своём составе только одну полипептидную цепь. Такие белки называют мономерами. К мономерным относят и белки, состоящие из нескольких цепей, но соединённых ковалентно, например дисульфидными связями (поэтому инсулин следует рассматривать как мономерный белок).

В то же время существуют белки, состоящие из двух и более полипептидных цепей. После формирования трёхмерной структуры каждой полипептидной цепи они объединяются с помощью тех же слабых взаимодействий, которые участвовали в образовании третичной структуры: гидрофобных, ионных, водородных.

Количество и взаиморасположение полипептидных цепей в пространстве называют "четвертичная структура белков". Отдельные полипептидные цепи в таком белке носят название протомеров, или субъединиц. Белок, содержащий в своём составе несколько протомеров, называют олигомерным.

Все белки с одинаковой первичной структурой, находящиеся в одинаковых условиях, приобретают одинаковую, характерную для данного индивидуального белка конформацию, определяющую его специфическую функцию. Функционально активную конформацию белка называют "нативная структура".

При различных заболеваниях происходит изменение белкового состава тканей. Эти изменения называются протеинопатиями. Различают наследственные и приобретённые протеинопатии. Наследственные протеинопатии развиваются в результате повреждений в генетическом аппарате данного индивидуума. Какой-либо белок не синтезируется вовсе или синтезируется, но его первичная структура изменена. Примеры наследственных протеинопатии - гемоглобинопатии, рассмотренные выше. В зависимости от роли дефектного белка в жизнедеятельности организма, от степени нарушения конформации и функции белков, от гомо- или гетерозиготности индивидуума по этому белку наследственные протеинопатии могут вызывать болезни, протекающие с различной степенью тяжести, вплоть до летального исхода ещё до рождения или в первые месяцы после рождения.

полиморфизм белков - существование разных форм белка, выполняющих одинаковые или очень сходные функции (изобелки). Чаще всего изучают полиморфизм ферментов (т. е. наличие изофер-ментов), поскольку их гораздо легче обнаружить, чем другие белки, по катализируемой ими реакции.

2 .Физико-химические свойства белков

Индивидуальные белки различаются по своим физико-химическим свойствам: форме молекул, молекулярной массе, суммарному заряду

молекулы, соотношению полярных и неполярных групп на поверхности нативной молекулы белка, растворимости белков, а также степени устойчивости к воздействию денатурирующих агентов.

1. Различия белков по форме молекул

Как уже говорилось выше, по форме молекул белки делят на глобулярные и фибриллярные. Глобулярные белки имеют более компактную структуру, их гидрофобные радикалы в большинстве своём спрятаны в гидрофобное ядро, и они значительно лучше растворимы в жидкостях организма, чем фибриллярные белки (исключение составляют мембранные белки).

2. Различия белков по молекулярной массе

Белки - высокомолекулярные соединения, но могут сильно отличаться по молекулярной массе, которая колеблется от 6000 до 1 000 000 Д и выше. Молекулярная масса белка зависит от количества аминокислотных остатков в полипептидной цепи, а для олигомерных белков - и от количества входящих в него протомеров (или субъединиц).

3. Суммарный заряд белков

Белки имеют в своём составе радикалы лизина, аргинина, гистидина, глутаминовой и аспарагиновой кислот, содержащие функциональные группы, способные к ионизации (ионогенные группы). Кроме того, на N- и С-концах полипептидных цепей имеются α-амино- и α-карбоксильная группы, также способные к ионизации. Суммарный заряд белковой молекулы зависит от соотношения ионизированных анионных радикалов Глу и Асп и катионных радикалов Лиз, Apr и Гис.

Степень ионизации функциональных групп этих радикалов зависит от рН среды. При рН раствора около 7 все ионогенные группы белка находятся в ионизированном состоянии. В кислой среде увеличение концентрации протонов (Н+) приводит к подавлению диссоциации карбоксильных групп и уменьшению отрицательного заряда белков: -СОО - + Н + → -СООН. В щелочной среде связывание избытка ОН" с протонами, образующимися при диссоциации NH 3 + с образованием воды, приводит к уменьшению положительного заряда белков:

NH 3 + +ОН - → -NH 2 + H 2 O.

Значение рН, при котором белок приобретает суммарный нулевой заряд, называют "изоэлектрическая точка" и обозначают как pI. В изоэлектрической точке количество положительно и отрицательно заряженных групп белка одинаково, т.е. белок находится в изоэлектрическом состоянии.

Так как большинство белков в клетке имеет в своём составе больше анионогенных групп (-СОО -), то изоэлектрическая точка этих белков лежит в слабокислой среде. Изоэлектрическая точка белков, в составе которых преобладают катионогенные группы, находится в щелочной среде. Наиболее яркий пример таких внутриклеточных белков, содержащих много аргинина и лизина, - гистоны, входящие в состав хроматина.

Белки, имеющие суммарный положительный или отрицательный заряд, лучше растворимы, чем белки, находящиеся в изоэлектрической точке. Суммарный заряд увеличивает количество диполей воды, способных связываться с белковой молекулой, и препятствует контакту одноимённо заряженных молекул, в результате растворимость белков увеличивается. Заряженные белки могут двигаться в электрическом поле: анионные белки, имеющие отрицательный заряд, будут двигаться к положительно заряженному аноду (+), а катионные белки - к отрицательно заряженному катоду (-). Белки, находящиеся в изоэлектрическом состоянии, не перемещаются в электрическом поле.

4. Соотношение полярных и неполярных групп на поверхности нативных молекул белков

На поверхности большинства внутриклеточных белков преобладают полярные радикалы, однако соотношение полярных и неполярных групп отлично для разных индивидуальных белков. Так, протомеры олигомерных белков в области контактов друг с другом часто содержат гидрофобные радикалы. Поверхности белков, функционирующих в составе мембран или прикрепляющиеся к ним в процессе функционирования, также обогащены гидрофобными радикалами. Такие белки лучше растворимы в липидах, чем в воде.

П ЕРВИЧНАЯ СТРУКТУРА БЕЛКОВ

Первичная структура белка несет информацию о его пространственной структуре.

1.Аминокислотные остатки в пептидной цепи белков чередуются не случайным образом, а распо-ложены в определенном порядке. Линейная после-довательность аминокислотных остатков в полипеп-тидной цепи называется первичной структурой белка.

2. Первичная структура каждого индивидуально-го белка закодирована в молекуле ДНК (участке, называемом геном) и реализуется в ходе транс-крипции (переписывания информации на мРНК) и трансляции (синтез пептидной цепи).

3. Каждый из 50 000 индивидуальных белков ор-ганизма человека имеет уникальную для данного индивидуального белка первичную структуру. Все молекулы индивидуального белка (например, аль-бумина) имеют одинаковое чередование амино-кислотных остатков, отличающее альбумин от лю-бого другого индивидуального белка.

4. Последовательность аминокислотных остат-ков в пептидной цепи можно рассматривать как
форму запи

си некоторой информации.

Эта информация диктует пространственную ук-ладку длинной линейной пептидной цепи в более компактную трехмерную структуру.

КОНФОРМАЦИЯ БЕЛКОВ

1. Линейные полипептидные цепи индивидуаль-ных белков за счет взаимодействия функциональ-ных групп аминокислот приобретают определен-ную пространственную трехмерную структуру, или конформацию. В глобулярных белках различают
два основных типа конформации пептидных цепей: вторичную и третичную структуры.

ВТОРИЧНАЯ СТРУКТУРА БЕЛКОВ

2. Вторичная структура белков - это пространст-венная структура, образующаяся в результате взаимодействий между функциональными груп- пами пептидного остова. При этом пептидная цепь может приобретать регулярные структуры двух типов: ос-спирали и р-структуры.

Рис. 1.2. Вторичная структура белка — а-спираль.

В ос-спирали водородные связи образуются между атомом кислорода карбоксильной группы и водородом амидного азота пептидного остова через 4 аминокислоты; боковые цепи аминокислотных остатков располагаются по периферии спирали, не участвуя в образовании водородных связей, фор-мирующих вторичную структуру (рис. 1.2).

Большие объемные остатки или остатки с одина-ковыми отталкивающимися зарядами препятству- ют формированию а-спирали.

Остаток пролина прерывает а-спираль благодаря его кольцевой структуре и невозможности образо-вания водородной связи из-за отсутствия водорода у атома азота в пептидной цепи.

B -Структура формируется между линейными областями одной полипептидной цепи, образуя при этом складки, или между разными полипеп-тидными цепями. Полипептидные цепи или их части могут формировать параллельные (N- и С-концы взаимодействующих пептидных цепей совпадают) или антипараллельные (N- и С-концы взаимодействующих пептидных цепей лежат в противоположных направлениях) р-структуры (рис. 1.3).

В белках также встречаются области с нерегу-лярной вторичной структурой, которые называ-ются беспорядочными клубками, хотя эти структу-ры не так сильно изменяются от одной молекулы белка к другой.

ТРЕТИЧНАЯ СТРУКТУРА БЕЛКОВ

3. Третичная структура белка — это трехмерная пространственная структура, образующаяся за счет взаимодействий между радикалами аминокислот, которые могут располагаться на значительном рас-стоянии друг от друга в пептидной цепи.

Рис. 1.3. Антипараллельная (бета-структура.)

Гидрофобные радикалы аминокислот имеют тенденцию к объединению внутри глобулярной структуры белков с помощью так называемых гид- рофобных взаимодействий и межмолекулярных ван-дер-ваальсовых сил, образуя плотное гидро-фобное ядро. Гидрофильные ионизированные и неионизированные радикалы аминокислот в ос-новном расположены на поверхности белка и оп-ределяют его растворимость в воде.

Гидрофильные аминокислоты, оказавшиеся внут-ри гидрофобного ядра, могут взаимодействовать друг с другом с помощью ионных и водородных свя-зей (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Типы связей, возникающие между радикалами аминокислот при формировании третичной структуры белка. 1 — ионная связь; 2 — водородная связь; 3 — гидрофобные взаимодействия; 4 — дисульфидная связь.

Рис. 1.5. Дисульфидные связи в структуре инсулина человека.

Ионные, водородные и гидрофобные связи отно-сятся к числу слабых: их энергия ненамного пре-вышает энергию теплового движения молекул при комнатной температуре.

Конформация белка поддерживается за счет воз-никновения множества таких слабых связей.

Конформационная лабильность белков — это спо-собность белков к небольшим изменениям кон-формации за счет разрыва одних и образования других слабых связей.

Третичная структура некоторых белков стабили-зирована дисульфидными связями, образующимися за счет взаимодействия SH-групп двух остатков цистеина.

Большинство внутриклеточных белков не имеет ковалентных дисульфидных связей. Их наличие характерно для секретируемых клеткой белков, на-пример дисульфидные связи имеются в молекулах инсулина, иммуноглобулинов.

Инсулин — белковый гормон, синтезирующийся в р-клетках поджелудочной железы. Секретируется клетками в ответ на повышение концентрации глю-козы в крови. В структуре инсулина имеются 2 ди-сульфидные связи, соединяющие 2 полипептидные А- и В-цепи, и 1 дисульфидная связь внутри А-цепи (рис. 1.5).

Особенности вторичной структуры белков ока-зывают влияние на характер межрадикальных вза-имодействий и третичную структуру.

4. Некоторый специфический порядок чередова-ния вторичных структур наблюдается во многих разных по структуре и функциям белках и носит название супервторичной структуры.

Такие упорядоченные структуры часто обозначают как структурные мотивы, которые имеют специфические названия: «а-спираль—поворот—а-спи-раль», «лейциновая застежка-молния», «цинковые пальцы», «структура Р-бочонка» и др.

По наличию а-спиралей и р-структур глобуляр-ные белки могут быть разделены на 4 категории:

1.В первую категорию включены белки, в кото-рых имеются только а-спирали, например миогло-бин и гемоглобин (рис. 1.6).

2. Во вторую категорию включены белки, в кото-рых имеются а-спирали и (3-структуры. При этом а- и (3-структуры часто образуют однотипные со-четания, встречающиеся в разных индивидуаль-ных белках.

Пример. Супервторичная структура типа Р-бочонка.

Фермент триозофосфатизомераза имеет супер-вторичную структуру типа Р-бочонка, где каждая (3-структура расположена внутри р-бочонка и свя-зана с а-спиральным участком полипептидной цепи, находящимся на поверхности молекулы (рис. 1.7, а).

Рис. 1.7. Супервторичная структура типа р-бочонка.

а — триозофосфатизомераза; б — домен пиру ватки назы.

Такая же супервторичная структура обнаружена в одном из доменов молекулы фермента пируваткиназы (рис. 1.7, б). Доменом называют часть молеку-лы, по структуре напоминающую самостоятель-ный глобулярный белок.

Еще один пример формирования супервторич-ной структуры, имеющей Р-структуры и ос-спира-ли. В одном из доменов лактатдегидрогеназы (ЛДГ) и фосфоглицераткиназы в центре располо-жены Р-структуры полипептидной цепи в виде скрученного листа и каждая р-структура связана с а-спиральным участком, расположенным на по-верхности молекулы (рис. 1.8).

Рис. 1.8. Вторичная структура, характерная для многих фер- ментов.

а -домен лактатдегидрогеназы; б— домен фосфоглицераткиназы.

3. В третью категорию включены белки, имею- щие только вторичную р-структуру. Такие структу-ры обнаружены в иммуноглобулинах, в ферменте супероксиддисмутазе (рис. 1.9).

Рис. 1.9. Вторичная структура константного домена им-муноглобулина (а)

и фермента супероксиддисмутазы (б).

4. В четвертую категорию включены белки, имеющие в своем составе лишь незначительное ко-личество регулярных вторичных структур. К таким белкам можно отнести небольшие богатые цисти-ном белки или металлопротеины.

В ДНК-связывающих белках имеются общие виды супервторичных структур: «ос-спираль—поворот— ос-спираль», «лейциновая застежка-молния», «цинко- вые пальцы». ДНК-связывающие белки содержат центр связывания, комплементарный участку ДНК с определенной нуклеотидной последовательностью. Эти белки участвуют в регуляции действия генов.

«а- Спираль—поворот—а-спираль»

Рис. 1.10. Связывание супервторичной

структуры «а-спи-раль—поворот—а-спираль»

в большой бороздке Д

Двуспиральная структура ДНК имеет 2 бороздки: большую и малую. Боль шая бороздка хорошо при-способлена для связывания белков, имеющих не-большие ос-спиральные участки.

В данный структурный мотив входят 2 ос-спирали: одна более короткая, другая более длинная, соеди-ненные поворотом полипептидной цепи (рис. 1.10).

Более короткая а-спираль располагается попе-рек бороздки ДНК, а более длинная а-спираль на-ходится в большой бороздке, образуя нековалент-ные специфические связи радикалов аминокислот с нуклеотидами ДНК.

Часто белки, имеющие такую структуру, образу-ют димеры, в результате олигомерный белок имеет 2 супервторичные структуры.

Они располагаются на определенном расстоянии друг от друга и выступают над поверхностью белка (рис. 1.11).

Две такие структуры могут связываться с ДНК в смежных областях больших бороздок

без значи-тельных изменений в структуре белков.

«Цинковый палец»

«Цинковый палец» — фрагмент белка, содержа-щий около 20 аминокислотных остатков (рис. 1.12).

Атом цинка связан с радикалами 4 аминокислот: 2 остатков цистеина и 2 — гистидина.

В некоторых случаях вместо остатков гистидина находятся остатки цистеина.

Рис. 1.12. Структура участка ДНК-связывающих

белков в форме «цинкового пальца».

Этот участок белка образует а-спираль, которая может специфично связываться с регуляторными участками большой бороздки ДНК.

Специфичность связывания индивидуального регуляторного ДНК-связывающего белка зависит от последовательности аминокислотных остатков, расположенных в области «цинкового пальца».

«Лейциновая застежка-молния»

Взаимодействующие белки имеют а-спиральный участок, содержащий по крайней мере 4 ос-татка лейцина.

Лейциновые остатки расположены через 6 ами-нокислот один от другого.

Так как каждый виток а-спирали содержит 3,6-аминокислотного остатка, радикалы лейцина находятся на поверхности каждого второго витка.

Лейциновые остатки а-спирали одного белка могут взаимодействовать с лейциновыми остатка-ми другого белка (гидрофобные взаимодействия), соединяя их вместе (рис. 1.13).

Многие ДНК-связывающие белки взаимодейст-вуют с ДНК в виде олигомерных структур, где субъединицы связываются друг с другом «лейци-новыми застежками». Примером таких белков мо-гут служить гистоны.

Гистоны — ядерные белки, в состав которых вхо-дит большое количество положительно заряжен-ных аминокислот — аргинина и лизина (до 80%).

Молекулы гистонов объединяются в олигомер-ные комплексы, содержащие 8 мономеров с по-мощью «лейциновых застежек», несмотря на силь-ный положительный заряд этих молекул.

Резюме. Все молекулы индивидуального белка, имеющие идентичную первичную структуру, при-обретают в растворе одинаковую конформацию.

Таким образом, характер пространственной уклад-ки пептидной цепи определяется аминокислотным составом и чередованием аминокислотных остатков в цепи. Следовательно, конформация — такая же специфическая характеристика индивидуального белка, как и первичная структура.

§ 8. ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ БЕЛКОВОЙ МОЛЕКУЛЫ

Первичная структура

Под первичной структурой белка понимают количество и порядок чередования аминокислотных остатков, соединенных друг с другом пептидными связями, в полипептидной цепи.

Полипептидная цепь на одном конце содержит свободную, не участвующую в образовании пептидной связи, NH 2 -группу, этот участок обозначается как N–конец . На противоположной стороне располагается свободная, не участвующая в образовании пептидной связи, НООС-группа, это – С-конец . За начало цепи принимается N-конец, именно с него начинается нумерация аминокислотных остатков:

Аминокислотную последовательность инсулина установил Ф. Сэнгер (Кембриджский университет). Этот белок состоит из двух полипептидных цепей. Одна цепь состоит из 21 аминокислотного остатка, другая цепь – из 30. Цепи связаны двумя дисульфидными мостиками (рис.6).

Рис. 6. Первичная структура инсулина человека

На расшифровку этой структуры было затрачено 10 лет (1944 – 1954 гг.). В настоящее время первичная структура определена у многих белков, процесс ее определения автоматизирован и не представляет собой серьезную проблему для исследователей.

Информация о первичной структуре каждого белка закодирована в гене (участке молекулы ДНК) и реализуется в ходе транскрипции (переписывании информации на мРНК) и трансляции (синтеза полипептидной цепи). В связи с этим можно установить первичную структуру белка также по известной структуре соответствующего гена.

По первичной структуре гомологичных белков можно судить о таксономическом родстве видов. К гомологичным белкам относятся те белки, которые у разных видов выполняют одинаковые функции. Такие белки имеют сходные аминокислотные последовательности. Например, белок цитохром С у большинства видов имеет относительную молекулярную массу около 12500 и содержит около 100 аминокислотных остатков. Различия в первичной структуре цитохрома С двух видов пропорциональны филогенетическому различию между данными видами. Так цитохромы С лошади и дрожжей отличаются по 48 аминокислотным остаткам, курицы и утки – по двум, цитохромы же курицы и индейки идентичны.

Вторичная структура

Вторичная структура белка формируется вследствие образования водородных связей между пептидными группами. Различают два типа вторичной структуры: α-спираль и β-структура (или складчатый слой) . В белках могут присутствовать также участки полипептидной цепи, не образующие вторичную структуру.

α-Спираль по форме напоминает пружину. При формировании α-спирали атом кислорода каждой пептидной группы образует водородную связь с атомом водорода четвертой по ходу цепи NH-группы:

Каждый виток спирали связан со следующим витком спирали несколькими водородными связями, что придает структуре значительную прочность. α-Спираль обладает следующими характеристиками: диаметр спирали 0,5 нм, шаг спирали – 0,54 нм, на один виток спирали приходится 3,6 аминокислотных остатка (рис. 7).

Рис. 7. Модель a-спирали, отражающая ее количественные характеристики

Боковые радикалы аминокислот направлены наружу от -спирали (рис. 8).

Рис. 8. Модель -спирали, отражающая пространственное расположение боковых радикалов

Из природных L-аминокислот может быть построена как правая, так и левая -спираль. Для большинства природных белков характерна правая спираль. Из D-аминокислот также можно построить как левую, так и правую спираль. Полипептидная же цепь, состоящая из смеси D-и L-аминокислотных остатков, не способна образовывать спираль.

Некоторые аминокислотные остатки препятствуют образованию α-спирали. Например, если в цепи подряд расположено несколько положительно или отрицательно заряженных аминокислотных остатков, такой участок не примет α-спиральной структуры из-за взаимного отталкивания одноименно заряженных радикалов. Затрудняют образование -спирали радикалы аминокислотных остатков, имеющих большие размеры. Препятствием для образования α-спирали, является также наличие в полипептидной цепи остатков пролина (рис. 9). В остатке пролина при атоме азота, образующем пептидную связь с другой аминокислотой, нет атома водорода.

Рис. 9. Остаток пролина препятствует образованию -спирали

Поэтому остаток пролина, входящий в состав полипептидной цепи, не способен образовывать внутрицепочечную водородную связь. Кроме того, атом азота в пролине входит в состав жесткого кольца, что делает невозможным вращение вокруг связи N – C и образование спирали.

Кроме α-спирали описаны и другие типы спиралей. Однако они встречаются редко, в основном на коротких участках.

Образование водородных связей между пептидными группами соседних полипептидных фрагментов цепей приводит к формированию β-структуры, или складчатого слоя:

В отличие от α-спирали складчатый слой имеет зигзагообразную форму, похожую на гармошку (рис. 10).

Рис. 10. β-Структура белка

Различают параллельные и антипараллельные складчатые слои. Параллельные β-структуры образуются между участками полипептидной цепи, направления которых совпадают:

Антипаралельные β-структуры образуются между противоположно направленными участками полипептидной цепи:

β-Структуры могут формироваться более чем между двумя полипептидными цепями:

В составе одних белков вторичная структура может быть представлена только α-спиралью, в других – только β-структурами (параллельными, или антипараллельными, или и теми, и другими), в третьих наряду с α-спирализованными участками могут присутствовать и β-структуры.

Третичная структура

У многих белков вторичноорганизованные структуры (α-спирали, -структуры) свернуты определенным образом в компактную глобулу. Пространственная организация глобулярных белков носит название третичной структуры. Таким образом, третичная структура характеризует трехмерное расположение участков полипептидной цепи в пространстве. В формировании третичной структуры принимают участие ионные и водородные связи, гидрофобные взаимодействия, ван-дер-ваальсовы силы. Стабилизируют третичную структуру дисульфидные мостики.

Третичная структура белков определяется их аминокислотной последовательностью. При ее формировании связи могут возникать между аминокислотами, расположенными в полипептидной цепи на значительном расстоянии. У растворимых белков полярные радикалы аминокислот, как правило, оказываются на поверхности белковых молекул и реже – внутри молекулы, гидрофобные радикалы оказываются компактно упакованными внутри глобулы, образуя гидрофобные области.

В настоящее время третичная структура многих белков установлена. Рассмотрим два примера.

Миоглобин

Миоглобин – кислород-связывающий белок с относительной массой 16700. Его функция – запасание кислорода в мышцах. В его молекуле имеется одна полипептидная цепь, состоящая из 153 аминокислотных остатков, и гемогруппа, играющая важную роль в связывании кислорода.

Пространственная организация миоглобина установлена благодаря работам Джона Кендрью и его коллег (рис. 11). В молекуле этого белка присутствуют 8 α-спиральных участков, на их долю приходится 80 % всех аминокислотных остатков. Молекула миоглобина очень компактна, внутри нее может уместиться всего четыре молекулы воды, почти все полярные радикалы аминокислот расположены на внешней поверхности молекулы, большая часть гидрофобных радикалов расположена внутри молекулы, вблизи поверхности находится гем – небелковая группа, ответственная за связывание кислорода.

Рис.11. Третичная структура миоглобина

Рибонуклеаза

Рибонуклеаза – глобулярный белок. Она секретируется клетками поджелудочной железы, это – фермент, катализирующий расщепление РНК. В отличие от миоглобина, в молекуле рибонуклеазы имеется очень мало α-спиральных участков и достаточно большое число сегментов, находящихся в β-конформации. Прочность третичной структуре белка придают 4 дисульфидные связи.

Четвертичная структура

Многие белки состоят из нескольких, двух или более, белковых субъединиц, или молекул, обладающих определенной вторичной и третичной структурами, удерживаемых вместе при помощи водородных и ионных связей, гидрофобных взаимодействий, ван-дер-ваальсовых сил. Такая организация белковых молекул носит название четвертичной структуры , а сами белки называют олигомерными . Отдельная субъединица, или белковая молекула, в составе олигомерного белка называется протомером .

Число протомеров в олигомерных белках может варьировать в широких пределах. Например, креатинкиназа состоит из 2 протомеров, гемоглобин – из 4 протомеров, РНК-полимераза E.coli – фермент, ответственный за синтез РНК, – из 5 протомеров, пируватдегидрогеназный комплекс – из 72 протомеров. Если белок состоит из двух протомеров, его называют димером, четырех – тетрамером, шести – гексамером (рис. 12). Чаще в молекуле олигомерного белка содержится 2 или 4 протомера. В состав олигомерного белка могут входить одинаковые или различные протомеры. Если в состав белка входят два идентичных протомера, то это – гомодимер , если разные – гетеродимер .

Рис. 12. Олигомерные белки

Рассмотрим организацию молекулы гемоглобина. Основная функция гемоглобина заключается в транспорте кислорода из легких в ткани и углекислого газа в обратном направлении. Его молекула (рис. 13) состоит из четырех полипептидных цепей двух различных типов – двух α-цепей и двух β-цепей и гема. Гемоглобин является белком, родственным миоглобину. Вторичная и третичная структуры миоглобина и протомеров гемоглобина очень сходны. Каждый протомер гемоглобина содержит, как и миоглобин, 8 α-спирализованных участков полипептидной цепи. При этом надо отметить, что в первичных структурах миоглобина и протомера гемоглобина идентичны только 24 аминокислотных остатка. Следовательно, белки, значительно отличающиеся по первичной структуре, могут иметь сходную пространственную организацию и выполнять сходные функции.

Рис. 13. Структура гемоглобина

Белок - это последовательность аминокислот , связанных друг с другом пептидными связями .

Легко представить, что количество аминокислот может быть различно: от минимум двух до любых разумных величин. Биохимики условились считать, что если количество аминокислот не превышает 10, то такое соединение называется пептид ; если от 10 и более аминокислот - полипептид . Полипептиды, способные самопроизвольно формировать и удерживать определенную пространственную структуру, которая называется конформацией, относят к белкам. Стабилизация такой структуры возможна лишь при достижении полипептидами определенной длины (более 40 аминокислот), поэтому белками обычно считают полипептиды молекулярной массой более 5 000 Да. (1Да равен 1/12 изотопа углерода). Только имея определенное пространственное строение (нативную структуру), белок может выполнять свои функции.

Размер белка может измеряться в дальтонах (молекулярная масса), чаще из-за относительно большой величины молекулы в производных единицах — килодальтонах (кДа). Белки дрожжей, в среднем, состоят из 466 аминокислот и имеют молекулярную массу 53 кДа. Самый большой из известных в настоящее время белков — титин — является компонентом саркомеров мускулов; молекулярная масса его различных изоформ варьирует в интервале от 3000 до 3700 кДа, он состоит из 38 138 аминокислот (в человеческой мышце solius).

Структура белка

Трехмерная структура белка формируется в процессе фолдинга (от англ. folding - «сворачивание»). Трехмерная структура формируется в результате взаимодействия структур более низких уровней.

Выделяют четыре уровня структуры белка:

Первичная структура — последовательность аминокислот в полипептидной цепи .

Вторичная структура — это размещение в пространстве отдельных участков полипептидной цепи.

Ниже приведены самые распространенные типы вторичной структуры белков:

α-спирали — плотные витки вокруг длинной оси молекулы, один виток составляют 3,6 аминокислотных остатка, и шаг спирали составляет 0,54 нм (на один аминокислотный остаток приходится 0,15 нм), спираль стабилизирована водородными связями между H и O пептидных групп, отстоящих друг от друга на 4 аминокислотных остатка. Спираль построена исключительно из одного типа стереоизомеров аминокислот (L). Хотя она может быть как левозакрученной, так и правозакрученной, в белках преобладает правозакрученная. Спираль нарушают электростатические взаимодействия глутаминовой кислоты, лизина, аргинина. Расположенные близко друг к другу остатки аспарагина, серина , треонина и лейцина могут стерически мешать образованию спирали, остатки пролина вызывает изгиб цепи и также нарушают структуру α-спирали .

β-складчатые слои — несколько зигзагообразных полипептидных цепей, в которых водородные связи образуются между относительно удаленными друг от друга (0,347 нм на аминокислотный остаток) в первичной структуре аминокислотами или разными цепями белка, а не близко расположенными, как имеет место в α-спирали. Эти цепи обычно направлены N-концами в противоположные стороны (антипараллельная ориентация). Для образования β-складчатых слоев важны небольшие размеры боковых групп аминокислот, обычно преобладают глицин и аланин.

Укладка белка в виде β-складчатого слоя

Неупорядоченные структуры - это неупорядоченное расположение белковой цепи в пространстве.

Пространственная структура каждого белка индивидуальна и определяется его первичной структурой. Однако сравнение конформаций разных по структуре и функциям белков выявило наличие у них похожих сочетаний элементов вторичной структуры. Такой специфический порядок формирования вторичных структур называют супервторичной структурой белков. Супервторичная структура формируется за счёт межрадикальных взаимодействий.

Определённые характерные сочетания α-спиралей и β-структур часто обозначают как "структурные мотивы". Они имеют специфические названия: "α-спираль-поворот-α-спираль", "структура α/β-бочонка", "лейциновая застёжка-молния", "цинковый палец" и др.

Третичная структура - это способ размещения в пространстве всей полипептидной цепи. Наряду с α-спиралями, β-складчатыми слоями и супервторичными структурами в третичной структуре обнаруживается неупорядоченная конформация, которая может занимать значительную часть молекулы.

Схематичное представление укладки белка в третичную структуру.

Четвертичная структура возникает у белков, которые состоят из нескольких полипептидных цепей (субъединиц, протомеров или мономеров), при объединении третичных структур этих субъдиниц. Например, молекула гемоглобина состоит из 4 субъединиц. Четвертичную структуру имеют надмолекулярные образования - мультиферментные комплексы, которые состоят из нескольких молекул ферментов и коферментов (пируватдегидрогеназа), и изоферменты (лактатдегидрогеназа - ЛДГ , креатинфосфокиназа - КФК).

Итак . Пространственная структура зависит не от длины полипептидной цепи, а от последовательности аминокислотных остатков, специфичной для каждого белка, а также от боковых радикалов, свойственных соответствующим аминокислотам. Пространственную трехмерную структуру или конформацию белковых макромолекул образуют в первую очередь водородные связи, гидрофобные взаимодействия между неполярными боковыми радикалами аминокислот, ионные взаимодействия между противоположно заряженными боковыми группами аминокислотных остатков. Водородные связи играют огромную роль в формировании и поддержании пространственной структуры белковой макромолекулы.

Что касается гидрофобных взаимодействий, то они возникают в результате контакта между неполярными радикалами, неспособными разорвать водородные связи между молекулами воды, которая вытесняется на поверхность белковой глобулы. По мере синтеза белка неполярные химические группировки собираются внутри глобулы, а полярные вытесняются на ее поверхность. Таким образом, белковая молекула может быть нейтральной, заряженной положительно или же отрицательно в зависимости от рН растворителя и ионогенных групп в белке. Кроме того, конформация белков поддерживается ковалентными связями S—S, образующимися между двумя остатками цистеина. В результате образования нативной структуры белка многие атомы, находящиеся на удаленных участках полипептидной цепи, сближаются и, воздействуя друг на друга, приобретают новые свойства, отсутствующие у индивидуальных аминокислот или небольших полипептидов.

Важно понимать, что фолдинг — сворачивание белков (и других биомакромолекул) из развёрнутой конформации в «нативную» форму — физико-химический процесс, в результате которого белки в своей естественной «среде обитания» (растворе, цитоплазме или мембране) приобретают характерные только для них пространственную укладку и функции.

В клетках имеется ряд каталитически неактивных белков, которые тем не менее вносят большой вклад в образование пространственных структур белков. Это так называемые шапероны. Шапероны 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 шаперонам, входит защита расплавленных (частично свернутых) глобул от агрегации, а также перенос новосинтезированных белков в различные локусы клеток.

Шапероны преимущественно являются белками теплового шока, синтез которых резко усиливается при стрессовом температурном воздействии, поэтому их называют еще hsp (heat shock proteins). Семейства этих белков найдены в микробных, растительных и животных клетках. Классификация шаперонов основана на их молекулярной массе, которая варьирует от 10 до 90 kDa. Они являются белками-помощниками процессов образования трехмерной структуры белков. Шапероны удерживают новосинтезированную полипептидную цепь в развернутом состоянии, не давая ей свернуться в отличную от нативной форму, и обеспечивают условия для единственно правильной, нативной структуры белка.

В процессе фолдинга белка некоторые конформации молекулы забраковываются на стадии расплавленной глобулы. Деградацию таких молекул инициирует белок убиквитин.

Деградация белка по убиквитиновому пути включает две основные стадии:

1) ковалентное присоединение убиквитина к подлежащему деградации белку через остаток лизина, наличие такой метки в белке является первичным сигналом сортировки, направляющей образовавшиеся конъюгаты к протеасомам, в большинстве случаев к белку присоединяется несколько молекул убиквитина, которые организованы в виде бусинок на нитке.;

2) гидролиз белка протеосомой (основная функция протеасомы - протеолитическая деградация ненужных и повреждённых белков до коротких пептидов). Убиквитин заслуженно называют «меткой смерти» для белка.

Доме?н белка? - элемент третичной структуры белка, представляющий собой достаточно стабильную и независимую подструктуру белка, чей фолдинг проходит независимо от остальных частей. В состав домена обычно входит несколько элементов вторичной структуры. Сходные по структуре домены встречаются не только в родственных белках (например, в гемоглобинах разных животных), но и в совершенно разных белках. Белок может иметь несколько доменов, эти участки могут выполнять разные функции в одном и том же белке. Доменную структуру имеют некоторые ферменты и все иммуноглобулины. Белки с длинными полипептидными цепями (более 200 аминокислотных остатков) часто создают доменные структуры.

Cтраница 1

Трехмерная структура белка еще ие известна.  

Трехмерная структура белка определяется невалентными взаимодействиями между аминокислотными остатками цепи, а также между этими остатками и растворителем (гл.  

Трехмерная структура белка высокослецифична. Иными словами, полипептидная цепь или цепи не просто свертываются с образованием структуры, близкой к сферической; свертывание проходит ряд строго фиксированных этапов, в результате чего возникает уникальная или почти уникальная конфигурация. Ввиду большой сложности и высокой специфичности третичной структуры, естественно, очень важно, во-первых, изучить тонкие детали этой структуры и, во-вторых, попытаться понять природу сил, ответственных за ее поддержание. Данные по вязкости, коэффициенту трения и светорассеянию дают информацию относительно общей топографии макромолекул. Более точные сведения, касающиеся деталей третичной структуры белков, удается получить с помощью рентгеноструктурного анализа.  

Для выяснения трехмерной структуры белков в последнее время успешно применяются также методы низкотемпературной вычислительной техники, а также математические и компьютерные методы определения объемной структуры на основании данных последовательностей аминокислот.  

Существенную помощь в подобных случаях оказывает знание трехмерной структуры белков. Имеющиеся в настоящее время данные показывают, что обычно остатки, находящиеся во внутренней части белка, мало подвержены изменениям и что все различия между гомологичными белками (замены аминокислот, делеции или вставки петель в цепи) касаются поверхности молекул. Таким образом, последовательности отдаленно родственных белков можно сопоставлять по остаткам, которые занимают геометрически сходные позиции в пространственной структуре.  

В природе дисульфидные мостики имеют важное значение, определяя трехмерную структуру белков (разд.  

Проведенный им анализ дифракционной картины волокон кератина привел к простому представлению о трехмерной структуре белков, образованных в результате упаковки вытянутых ф-кератин) или изогнутых (а-кератин) полипептидных цепей. В основе этого представления лежало два принципиальных положения: о возможности существования изогнутых форм полипептидных цепей, которые считались полностью растянутыми, и о существовании упорядоченной трехмерной структуры белков, составляющей основу упаковки.  

Характерной особенностью современных работ по конформа-ционному анализу полипептидов является расчет предпочтительной конформации с использованием трехмерных структур белков, установленных ранее с помощью рентгеноструктурного анализа, что позволяет проверить правильность расчета. Полученные результаты существенно разнятся по достоверности ввиду неопределенностей, связанных с установлением минимума энергии конформации молекулы, как это показано на примере полипептидов.  

Такие деформации, безусловно, могут иметь место в силу взаимодействия между субстратом и трехмерной структурой белка и, поскольку последний не является жестким образованием, его структура также будет деформироваться. Деформации стабильных структур основного состояния приводят к тому, что такого рода взаимодействия осуществляются с затратой энергии и понижают общую энергию связывания.  

Наконец, мы рассмотрим молекулярные основы самовоспроизведения клеток и преобразования одномерной информации, содержащейся в ДНК, в трехмерную структуру белков. По ходу дела мы увидим, что биохимия способствует формированию новых важных представлений, касающихся физиологии человека, проблем питания и медицины, более глубокому пониманию биологии растений, основ сельского хозяйства, эволюции, экологии, а также великого круговорота вещества и энергии между солнцем, землей, растениями и животными.  

Ти представляет собой лабильный трехдоменный белок с молеку - Цфной массой около 45 000 дальтон. Трехмерная структура белка находится в адии интенсивного исследования.  

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

Как известно, не все белки содержат цистин; однако имеются и другие возможности сшивки цепей, например при помощи фосфо-эфирных связей. Кроме того, следует иметь в виду, что трехмерная структура белка, несомненно, приводит к взаимодействию боковых цепей аминокислот друг с другом или с какими-либо участками пептидной цепи. Важную роль в образовании уникальной структуры белка, обеспечивающей его биологическую функцию, играют прочно связанные с ним вещества небелковой природы, такие, как металлы, пигменты и сахара. Молекула гемоглобина человека состоит из четырех пептидных цепей (двух а - и двух (З - цепей), соединенных с четырьмя геминовыми группами, которые и являются переносчиками кислорода. Структуры обеих цепей гемоглобина (по Брауницеру и др. ) и миоглобина приведены на фиг. Интересно, что, согласно недавно опубликованной структуре субъединицы белка вируса табачной мозаики , в цепи из 158 аминокислотных остатков отсутствуют поперечные связи (фиг.