Будова і рівні структурної організації білків

Виділяють чотири рівні структурної організації білків: первинний, вторинний, третинний і четвертинний. Кожен рівень має свої особливості.

Первинна структура білка

Первинною структурою білків називається лінійна поліпептидний ланцюг з амінокислот, з'єднаних між собою пептидними зв'язками. Первинна структура - найпростіший рівень структурної організації білкової молекули. Високу стабільність їй надають ковалентні пептидні зв'язку між α-аміногрупою однієї амінокислоти і α-карбоксильною групою іншої амінокислоти [показати].

Якщо в утворенні пептидного зв'язку бере участь іміногрупи пролина або гидроксипролина, то вона має інший вигляд [показати].

При утворенні пептидних зв'язків в клітинах спочатку активується карбоксильная група однієї амінокислоти, а потім вона з'єднується з аминогруппой інший. Приблизно так само проводять лабораторний синтез поліпептидів.

• копланарность - все атоми, що входять в пептидную групу, знаходяться в одній площині;
• здатність існувати в двох резонансних формах (кето- або енольной формі);
• транс-положення заступників по відношенню до С-N-зв'язку;
• здатність до утворення водневих зв'язків, причому кожна з пептидних груп може утворювати два водневі зв'язки з іншими групами, в тому числі і пептидними.

Виняток становлять пептидні групи за участю аміногрупи пролина або гидроксипролина. Вони здатні утворювати лише одну водневу зв'язок (див. Вище). Це позначається на формуванні вторинної структури білка. Поліпептидний ланцюг на ділянці, де знаходиться пролин або гидроксипролин, легко згинається, так як не утримується, як зазвичай, другий водневої зв'язком.

Номенклатура пептидів і поліпептидів. Назва пептидів складається з назв входять до них амінокислот. Дві амінокислоти дають дипептид, три - трипептид, чотири - тетрапептид і т. Д. Кожен пептид або поліпептидний ланцюг будь-якої довжини має N-кінцеву амінокислоту, яка містить вільну аміногрупу, і С-кінцеву амінокислоту, яка містить вільну карбоксильну групу. Називаючи поліпептиди, перераховують послідовно всі амінокислоти, починаючи з N-кінцевий, замінюючи в їхніх назвах, крім С-кінцевий, суфікс-ін на іл (так як амінокислоти в пептидах мають вже не карбоксильну групу, а карбонільну). Наприклад, назва зображеного на рис. 1 трипептида - лейцит мул фенілалан мул Треона ін.

Особливості первинної структури білка. У кістяку поліпептидного ланцюга чергуються жорсткі структури (плоскі пептидні групи) з відносно рухомими ділянками (-СНR), які здатні обертатися навколо зв'язків. Такі особливості будови поліпептидного ланцюга впливають на укладку її в просторі.

Вторинна структура білка

Вторинна структура являє собою спосіб укладання поліпептидного ланцюга в впорядковану структуру завдяки освіті водневих зв'язків між пептидними групами одного ланцюга або суміжними поліпептидними ланцюгами. По конфігурації вторинні структури діляться на спіральні (α-спіраль) і шарувато-складчасті (β-структура і крос-β-форма).

α-Спіраль. Це різновид вторинної структури білка, що має вигляд регулярної спіралі, що утворюється завдяки межпептідним водневим зв'язкам в межах однієї поліпептидного ланцюга. Модель будови α-спіралі (рис. 2), що враховує всі властивості пептидного зв'язку, була запропонована Полингом і Корі. Основні особливості α-спіралі:

• спіральна конфігурація поліпептидного ланцюга, що має гвинтову симетрію;
• утворення водневих зв'язків між пептидними групами кожного першого і четвертого амінокислотних залишків;
• регулярність витків спіралі;
• рівнозначність всіх амінокислотних залишків в α-спіралі незалежно від будови їх бічних радикалів;
• бічні радикали амінокислот не беруть участі в утворенні α-спіралі.

Зовні α-спіраль схожа на злегка розтягнуту спіраль електричної плитки. Регулярність водневих зв'язків між першою і четвертою пептидними групами визначає і регулярність витків поліпептидного ланцюга. Висота одного витка, або крок α-спіралі, дорівнює 0,54 нм; в нього входить 3,6 амінокислотних залишку, т. е. кожен амінокислотний залишок переміщається уздовж осі (висота одного амінокислотного залишку) на 0,15 нм (0,54: 3,6 = 0,15 нм), що і дозволяє говорити про рівнозначності всіх амінокислотних залишків в α-спіралі. Період регулярності α-спіралі дорівнює 5 витків або 18 амінокислотним залишкам; довжина одного періоду становить 2,7 нм. Мал. 3. Модель а-спіралі Полінга-Корі

β-Структура. Це різновид вторинної структури, яка має слабо вигнуту конфігурацію поліпептидного ланцюга і формується за допомогою межпептідних водневих зв'язків в межах окремих ділянок однієї поліпептидного ланцюга або суміжних поліпептидних ланцюгів. Її називають також шарувато-складчастою структурою. Є різновиди β-структур. Обмежені шаруваті ділянки, утворені одного поліпептидного ланцюгом білка, називають крос-β-формою (коротка β-структура). Водневі зв'язки в крос-β-формі утворюються між пептидними групами петель поліпептидного ланцюга. Інший тип - повна β-структура - характерний для всієї поліпептидного ланцюжка, яка має витягнуту форму і утримується межпептіднимі водневими зв'язками між суміжними паралельними поліпептидними ланцюгами (рис. 3). Ця структура нагадує хутра акордеона. Причому можливі варіанти β-структур: вони можуть бути утворені паралельними ланцюгами (N-кінці поліпептидних ланцюгів спрямовані в одну і ту ж сторону) і антипаралельними (N-кінці направлені в різні боки). Бічні радикали одного шару поміщаються між бічними радикалами іншого шару.

У білках можливі переходи від α-структур до β-структурам і назад внаслідок перебудови водневих зв'язків. Замість регулярних межпептідних водневих зв'язків уздовж ланцюга (завдяки їм поліпептидний ланцюг скручується в спіраль) відбувається розкручування спіраль ділянок і замикання водневих зв'язків між витягнутими фрагментами поліпептидних ланцюгів. Такий перехід виявлений в кератині - білку волосся. При митті волосся лужними миючими засобами легко руйнується спіральна структура β-кератину і він переходить в α-кератин (кучеряве волосся розпрямляються).

Руйнування регулярних вторинних структур білків (α-спіралі і β-структур) за аналогією з плавленням кристала називають "плавленням" поліпептидів. При цьому водневі зв'язки рвуться, і поліпептидні ланцюга приймають форму безладного клубка. Отже, стабільність вторинних структур визначається межпептіднимі водневими зв'язками. Решта типів зв'язків майже не беруть в цьому участь, за винятком дисульфідних зв'язків уздовж поліпептидного ланцюга в місцях розташування залишків цистеїну. Короткі пептиди завдяки дисульфідні зв'язків замикаються в цикли. У багатьох білках одночасно є α-спіральні ділянки і β-структури. Природних білків, що складаються на 100% з α-спіралі, майже не буває (виняток становить параміозін - м'язовий білок, на 96-100% представляє собою α-спіраль), тоді як у синтетичних поліпептидів 100% -ва спирализация.

Інші білки мають неоднакову ступінь спирализации. Висока частота α-спіральних структур спостерігається у параміозіна, міоглобіну, гемоглобіну. Навпаки, у трипсину, рибонуклеази значна частина поліпептидного ланцюга укладається в шаруваті β-структури. Білки опорних тканин: кератин (білок волосся, вовни), колаген (білок сухожиль, шкіри), фиброин (білок натурального шовку) мають β-конфігурацію поліпептидних ланцюгів. Різна ступінь спирализации поліпептидних ланцюгів білків говорить про те, що, очевидно, є сили, частково порушують спіралізацію або "ламають" регулярну укладання поліпептидного ланцюга. Причиною цього є більш компактна укладання поліпептидного ланцюга білка в певному обсязі, т. Е. В третинну структуру.

Третинна структура білка

Третинної структурою білка називається спосіб укладання поліпептидного ланцюга в просторі. За формою третинної структури білки діляться в основному на глобулярні і фібрилярні. Глобулярні білки найчастіше мають елліпсовіднимі форму, а фібрилярні (ниткоподібні) білки - витягнуту (форма палички, веретена).

Однак конфігурація третинної структури білків ще не дає підстави думати, що фібрилярні білки мають тільки β-структуру, а глобулярні α-спіральні. Є фібрилярні білки, що мають спіральну, а не шарувато-складчасту вторинну структуру. Наприклад, α-кератин і параміозін (білок запирательной м'язи молюсків), тропомиозина (білки скелетних м'язів) відносяться до фібрилярні білків (мають паличкоподібну форму), а вторинна структура у них - α-спіраль; навпаки, в глобулярних білках може бути велика кількість β-структур.

Спирализация лінійної поліпептидного ланцюга зменшує її розміри приблизно в 4 рази; а укладання в третинну структуру робить її в десятки разів більш компактною, ніж вихідна ланцюг.

Зв'язки, що стабілізують третинну структуру білка. У стабілізації третинної структури відіграють роль зв'язку між бічними радикалами амінокислот. Ці зв'язки можна розділити на:

• сильні (ковалентні) [показати].

  До нековалентним зв'язків відносяться дисульфідні зв'язки (-S-S-) між бічними радикалами цистеїн, що знаходяться в різних ділянках поліпептидного ланцюга; ізопептідние, або псевдопептідние, - між аміногрупами бічних радикалів лізину, аргініну, а не α-аміногрупи, і СООН-групами бічних радикалів аспарагінової, глутамінової та амінолімонной кислот, а не α-карбоксильними групами амінокислот. Звідси і назва цього типу зв'язку - подібна пептидного. Рідко зустрічається ефірна зв'язок, утворена СООН-групою дикарбонових амінокислот (аспарагінової, глутамінової) та ОН-групою гідроксиамінокислота (серина, треоніну).

• слабкі (полярні і ван-дер-ваальсові) [показати].

  До полярних зв'язків відносяться водневі та іонні. Водневі зв'язки, як зазвичай, виникають між групою -NН2, - ОН або -SН бічного радикала однієї амінокислоти і карбоксильної групою іншої. Іонні, або електростатичні, зв'язку утворюються при контакті заряджених груп бічних радикалів -NН + 3 (лізину, аргініну, гістидину) і -СОО- (аспарагінової та глутамінової кислот).

  Полярні, або ван-дер-ваальсові, зв'язку утворюються між радикалами амінокислот. Гідрофобні радикали амінокислот аланіну, валіну, ізолейцину, метіоніну, фенілаланіну у водному середовищі взаємодіють один з одним. Слабкі ван-дер-ваальсові зв'язку сприяють формуванню гидрофобного ядра з неполярних радикалів всередині білкової глобули. Чим більше неполярних амінокислот, тим більшу роль в укладанні поліпептидного ланцюга грають ван-дер-ваальсові зв'язку.

Численні зв'язку між бічними радикалами амінокислот визначають просторову конфігурацію білкової молекули.

Особливості організації третинної структури білка. Конформація третинної структури поліпептидного ланцюга визначається властивостями бічних радикалів входять до неї амінокислот (які надають помітного впливу на формування первинної і вторинної структур) і мікрооточенням, т. Е. Середовищем. При укладанні поліпептидний ланцюг білка прагне прийняти енергетично вигідну форму, що характеризується мінімумом вільної енергії. Тому неполярні R-групи, "уникаючи" води, утворюють як би внутрішню частину третинної структури білка, де розташована основна частина гідрофобних залишків поліпептидного ланцюга. У центрі білкової глобули майже немає молекул води. Полярні (гідрофільні) R-групи амінокислоти розташовуються зовні цього гидрофобного ядра і оточені молекулами води. Поліпептидний ланцюг вигадливо вигинається в тривимірному просторі. При її вигинах порушується вторинна спіральна конформація. "Ламається" ланцюг в слабких точках, де знаходяться пролин або гидроксипролин, оскільки ці амінокислоти більш рухливі в ланцюзі, утворюючи тільки одну водневу зв'язок з іншими пептидними групами. Іншим місцем вигину є гліцин, R-група якого мала (водень). Тому R-групи інших амінокислот при укладанні прагнуть зайняти вільний простір в місці знаходження гліцину. Ряд амінокислот - аланін, лейцин, глутамат, гістидин - сприяють збереженню стійких спіральних структур в білку, а такі, як метіонін, валін, ізолейцин, аспарагінова кислота, сприяють утворенню β-структур. У молекулі білка з третинної конфігурацією зустрічаються ділянки у вигляді α-спіралей (спіраль), β-структур (шаруваті) і безладного клубка. Тільки правильна просторова укладка білка робить його активним; порушення її призводить до зміни властивостей білка і втрати біологічної активності.

Четвертичная структура білка

Білки, що складаються з однієї поліпептидного ланцюга, мають тільки третинну структуру. До них відносяться миоглобин - білок м'язової тканини, бере участь в зв'язуванні кисню, ряд ферментів (лізоцим, пепсин, трипсин і т. Д.). Однак деякі білки побудовані з декількох поліпептидних ланцюгів, кожна з яких має третинну структуру. Для таких білків введено поняття четвертичной структури, яка представляє собою організацію декількох поліпептидних ланцюгів з третинної структурою в єдину функціональну молекулу білка. Такий білок з четвертинної структурою називається олігомером, а його поліпептидні ланцюга з третинної структурою - протомеров або субодиницями (рис. 4).

При четвертинному рівні організації білки зберігають основну конфігурацію третинної структури (глобулярную або фибриллярную). Наприклад, гемоглобін - білок, який має четвертинних структуру, складається з чотирьох субодиниць. Кожна з субодиниць - глобулярний білок і в цілому гемоглобін теж має глобулярную конфігурацію. Білки волосся і вовни - кератину, що застосовуються на підставі третинної структурі до фібрилярні білків, мають фибриллярную конформацию і четвертинних структуру.

Стабілізація четвертичной структури білків. Всі білки, у яких виявлена ​​четвертинна структура, виділені у вигляді індивідуальних макромолекул, що не розпадаються на субодиниці. Контакти між поверхнями субодиниць можливі тільки за рахунок полярних груп амінокислотних залишків, оскільки при формуванні третинної структури кожної з поліпептидних ланцюгів бічні радикали неполярних амінокислот (що становлять більшу частину всіх протеіногенних амінокислот) заховані усередині субодиниці. Між їх полярними групами утворюються численні іонні (сольові), водневі, а в деяких випадках і дисульфідні зв'язки, які міцно утримують субодиниці у вигляді організованого комплексу. Застосування речовин, що розривають водневі зв'язку, або речовин, які відновлюють дисульфідні містки, викликає дезагрегацию протомеров і руйнування четвертинної структури білка. У табл. 1 підсумовані дані про зв'язки, що стабілізують різні рівні організації білкової молекули [показати].

Первинна (лінійна поліпeптідная ланцюг) Ковалентні (сильні) Пептидная - між α-аміно- та α-карбоксильними групами амінокислот Вторинна (α-спіраль, β-структури) Слабкі Водневі - між пептидними групами (кожної першої і четвертої) однієї поліпептидного ланцюга або між пептидними групами суміжних поліпептидних ланцюгів Ковалентні (сильні) дисульфідні - дисульфідні петлі в межах лінійно го ділянки поліпептидного ланцюга Третинна (глобулярна, фібрилярна) Ковалентні (сильні) Дисульфідні, ізопептідние, складноефірні - між бічними радикалами амінокислот різних ділянок поліпептидного ланцюга Слабкі Водневі - між бічними радикалами амінокислот різних ділянок поліпептидного ланцюга

Іонні (сольові) - між протилежно зарядженими групами бічних радикалів амінокислот поліпептидного ланцюга

Ван-дер-ваальсові - між неполярними бічними радикалами амінокислот поліпептидного ланцюга

Четвертичная (глобулярна, фібрилярна) Слабкі Йонні - між протилежно зарядженими групами бічних радикалів амінокислот кожної з субодиниць

Водневі - між бічними радикалами амінокислотних залишків, розташованими на поверхні контактуючих ділянок субодиниць

Ковалентні (сильні) Дисульфідні - між залишками цистеїну кожної з контактуючих поверхонь різних субодиниць

Особливості структурної організації деяких фібрилярних білків

Структурна організація фібрілярніх білків має ряд особливо в порівнянні з глобулярними білкамі. ЦІ Особливості можна простежіті на прікладі кератину, натурального и колагену. Кератин існують в α- и β-конформаціях. α-кератину и фиброин ма ють шарувато-складчасту вторинна структуру, однак в кератіні ланцюга Паралельні, а в Фиброин антіпараллельні (див. рис. 3); крім того, в кератині є межцепочечних дисульфідні зв'язки, а у фиброина вони відсутні. Розрив дисульфідних зв'язків призводить до роз'єднання поліпептидних ланцюгів в кератин. Навпаки, освіта максимального числа дисульфідних зв'язків в кератин шляхом впливу окислювачів створює міцну просторову структуру. Взагалі у фібрилярних білків на відміну від глобулярних часом важко строго розмежувати різні рівні організації. Якщо прийняти (як для глобулярного білка), що третинна структура повинна утворюватися шляхом укладання в просторі однієї поліпептидного ланцюга, а четвертинна - декількох ланцюгів, то в фібрилярних білках вже при формуванні вторинної структури бере участь кілька поліпептидних ланцюгів. Типовим прикладом фібрилярні білка є колаген, який відноситься до найпоширеніших білків організму людини (близько 1/3 від маси всіх білків). Він міститься в тканинах, що володіють високою міцністю і малою розтяжністю (кістки, сухожилля, шкіра, зуби і т. Д.). У коллагене третину амінокислотних залишків доводиться на гліцин, а близько чверті або трохи більше - на пролін або гидроксипролин.

Ізольована поліпептидний ланцюг колагену (первинна структура) схожа на ламану лінію. Вона містить близько 1000 амінокислот і має молекулярну масу близько 105 (рис. 5, а, б). Поліпептидний ланцюг побудована з повторюваної трійки амінокислот (триплет) наступного складу: гли-А-В, де А і В - будь-які, крім гліцину, амінокислоти (найчастіше за все пролин і гидроксипролин). Поліпептидні ланцюги колагену (або α-ланцюга) при формуванні вторинної і третинної структур (рис. 5, в і г) не можуть давати типових α-спіралей, що мають гвинтову симетрію. На заваді стають пролин, гидроксипролин і гліцин (антіспіральние амінокислоти). Тому три α-ланцюга утворюють як би скручені спіралі подібно трьом ниткам, обвиває циліндр. Три спіральні α-ланцюга формують повторювану структуру колагену, яка називається тропоколлагеном (рис. 5, г). Тропоколагену за своєю організацією є третинної структурою колагену. Плоскі кільця пролина і оксипроліну, регулярно чергуються уздовж ланцюга, надають їй жорсткість, як і межцепочечних зв'язку між α-ланцюгами тропоколагену (тому колаген стійкий до розтягування). Тропоколагену є, по суті, субодиницею фібрил колагену. Укладання тропоколлагенових субодиниць в четвертинних структуру колагену відбувається ступенеобразно (рис. 5, д).

Стабілізація структур колагену відбувається за рахунок межцепочечних водневих, іонних і ван дер Ваальсових зв'язків і невеликої кількості ковалентних зв'язків.

α-Ланцюги колагену мають різний хімічну будову. Розрізняють α1-ланцюга різних видів (I, II, III, IV) і α2-ланцюга. Залежно від того, які α1- і α2-ланцюга беруть участь в утворенні трехцепочечной спіралі тропоколагену, розрізняють чотири типи колагену:

• перший тип - дві α1 (I) і одна α2-ланцюга;
• другий тип - три α1 (II) -ланцюга;
• третій тип - три α1 (III) -ланцюга;
• четвертий тип - три α1 (IV) -ланцюга.

Найбільш поширений колаген першого типу: він міститься в кістковій тканині, шкірі, сухожиллях; колаген другого типу міститься в хрящової тканини і т. д. В одному виді тканини можуть бути різні типи колагену.

Упорядкована агрегація колагенових структур, їх жорсткість і інертність забезпечують високу міцність колагенових волокон. Колагенові білки містять також вуглеводні компоненти, т. Е. Є білок-вуглеводними комплексами.

Колаген - позаклітинний білок, який утворюється клітинами сполучної тканини, що входить в усі органи. Тому з пошкодженням колагену (або порушенням його утворення) виникають множинні порушення опорних функцій сполучної тканини органів.

сторінка 1 2 3 4 5 6 7 всього сторінок:

7