Структура белковой молекулы

Белки и пептиды.

Белки – природные высокомолекулярные азотосодержащие органические соединения. Они играют первостепенную роль во всех жизненных процессах, являются носителями жизни. Белки содержатся во всех тканях организмов, в крови, в костях.

Белок , также как углеводы и жиры, - важнейшая составляющая часть пищи человека.

Химическое строение белков

Молекулы белков состоят из остатков аминокислот, соединённых в цепочку пептидной связью.

Пептидная связь возникает при образовании белков в результате взаимодействия аминогруппы (-NH2 ) одной аминокислоты с карбоксильной группой (-СООН ) другой аминокислоты.

Из двух аминокислот образуется дипептид (цепочка из двух аминокислот) и молекула воды.

Десятки, сотни и тысячи молекул аминокислот, соединяясь друг с другом, образуют гигантские молекулы белков.

В молекулах белков многократно повторяются группы атомов -СО-NH- ; их называют амидными , или в химии белков пептидными группами . Соответственно белки относят к природным высокомолекулярным полиамидам или полипептидам.

Общее число встречающихся в природе аминокислот достигает 300, однако некоторые из них достаточно редки.

Среди аминокислот выделяется группа из 20 наиболее важных. Они встречаются во всех белках и получили название альфа-аминокислот .

Всё многообразие белков в большинстве случаев образовано этими двадцатью альфа-аминокислотами. При этом для каждого белка строго специфичной является последовательность, в которой остатки входящих в его состав аминокислот соединяются друг с другом. Аминокислотный состав белков определяется генетическим кодом организма.

Белки и пептиды

И белки , и пептиды – это соединения, построенные из остатков аминокислот. Различия между ними колличественные.

Условно считают, что:

пептиды содержат в молекуле до 100 аминокислотных остатков
(что соответствует молекулярной массе до 10 000), а
белки – свыше 100 аминокислотных остатков
(молекулярная масса от 10 000 до нескольких миллионов).

В свою очередь в группе пептидов принято различать:

олигопептиды (низкомолекулярные пептиды),
содержащие в цепи не более 10 аминокислотных остатков, и
полипептиды , в состав цепи которых входит до 100 аминокислотных остатков.

Для макромолекул с числом аминокислотных остатков, приближающимся или немного превышающим 100, понятия полипептидов и белков практически не разграничиваются и часто являются синонимами.

Структура белков. Уровни организации.

Молекула белка это чрезвычайно сложное образование. Свойства белка зависят не только от химического состава его молекул, но и от других факторов. Например, от пространственной структуры молекулы, от связей между атомами, входящих в молекулу.

Выделяют четыре уровня структурной организации молекулы белка.

1. Первичная структура

Первичная структура представляет собой последовательность расположения остатков аминокислот в полипептидных цепях .

Последовательность остатков аминокислот в цепи является наиболее важной характеристикой белка. Именно она определяет основные его свойства.

Белок каждого человека имеет свою уникальную первичную структуру, связанную с генетическим кодом.

2. Вторичная структура.

Вторичная структура связана с пространственной ориентацией полипептидных цепей .

Её основные виды:

альфа-спираль,
бетта-структура (имеет вид складчатого листа).

Вторичная структура закрепляется, как правило, водородными связями между атомами водорода и кислорода пептидных групп, отстоящих друг от друга на 4 звена.

Водородные связи как бы сшивают спираль, удерживая полипептидную цепь в закрученном состоянии.

3. Третичная структура

Третичная структура отражает пространственную форму вторичной структуры .

Например, вторичная структура в форме спирали, в свою очередь, может иметь шаровидную или яйцевидную форму.

Третичная структура стабилизируется не только водородными связями, но и другими видами взаимодействия, например ионным, гидрофобным, а также дисульфидными связями.

4. Четвертичная структура

Первые три уровня характерны для структурной организации всех белковых молекул.

Четвёртый уровень встречается при образовании белковых комплексов, состоящих из нескольких полипептидных цепей.

Это сложное надмолекулярное образование, состоящее из нескольких белков, имеющих свою собственную первичную, вторичную и третичную структуры.

В состав белка с четвертичной структурой могут входить как идентичные, так и различающиеся полипептидные цепочки.

Ассоциация полипептидных цепей в четвертичную структуру может приводить к возникновению новых биологических свойств, отсутствующих у исходных белков, образующих эту структуру.

В стабилизации четвертичной структуры принимают участие те же типы взаимодействий, что и в стабилизации третичной.

Классификация белков

Ввиду многообразия пептидов и белков существует несколько подходов к их классификации. Их можно классифицировать по биологическим функциям, составу, пространственному строению .

По составу белки подразделяются на:

Простые,
Сложные.

Простые белки.

При гидролизе простых белков в качестве продуктов расщепления получаются только альфа-аминокислоты.

Сложные белки.

Сложные белки наряду с собственно белковой частью, состоящей из альфа-аминокислот, содержит органическую или неорганическую части непептидной природы, называемые простетическими группами .

Примерами сложных белков могут служить транспортные белки миоглобин и гемоглобин , в которых белковая часть – глобин – соединена с простетической группой – гемом . По типу простетической группы их относят к гемопротеинам .

Фосфопротеины содержат остаток фосфорной кислоты, металлопротеины – ионы метала.

Смешанные биополимеры представляют собой также сложные белки. В зависимости от природы простетической группы их подразделяют на:

Гликопротеины (содержат углеводную часть),
Липопротеины (содержат липидную часть),
Нуклеопротеины (содержат нуклеиновые кислоты).

В организме белки редко встречаются в «чистом» виде. В основном они входят в состав сложных образований с высоким уровнем организации, включающих в качестве субъединиц другие биополимеры и различные органические и неорганические группировки.

По пространственной структуре белки делятся на два больших класса:

Глобулярные и
Фибриллярные.

Глобулярные белки.

Для глобулярных белков более характерна альфа-спиральная структура, а цепи их изогнуты в пространстве так, что макромолекула приобретает форму сферы.

Глобулярные белки растворяются в воде и солевых растворах с образованием коллоидных систем.

Примеры глобулярных белков – альбумин (яичные белок), глобин (белковая часть гемоглобина), миоглобин , почти все ферменты.

Фибриллярные белки.

Для фибриллярных белков более характерна бетта-структура . Как правило, они имеют волокнистое строение, не растворяются в воде и солевых растворах.

К ним относятся многие широко распространённые белки - бетта-кератин (волосы, роговая ткань), бетта-фиброин (шёлк), миоинозин (мускульная ткань), коллаген (соединительная ткань).

Функции белков в организме.

Классификация белков по их функциям является достаточно условной, так как один и тот же белок может выполнять несколько функций.

Ниже перечислим основные функции белков в организме:

1. Каталитическая функция.

Белки этой группы называются ферментами . Ферменты катализируют различные химические реакции. Например, реакции расщепления сложных молекул (катаболизм) и их синтеза (анаболизм).

Примеры каталитических белков: каталаза, алкогольдегидрогеназа, пепсин, трипсин, амилаза и пр.

2. Структурная функция

Придают форму клетке и её органоидам . Например, мономеры актина и тубулина формируют длинные нити, из которых состоит цитоскелет, позволяющий клетке поддерживать форму. Коллаген и эластин - основные компоненты межклеточного вещества соединительной ткани (например, хряща), а из другого структурного белка кератина состоят волосы, ногти, перья птиц и некоторые раковины.

3. Защитная функция

Существует несколько видов защитных функций белков:

Физическая защита
Физическую защиту организма обеспечивают коллаген - белок, образующий основу
межклеточного вещества соединительных тканей (в том числе костей, хряща,
сухожилий и глубоких слоёв кожи (дермы)); кератин , составляющий основу роговых
щитков, волос, перьев, рогов и др. производных эпидермиса. Обычно такие белки
рассматривают как белки со структурной функцией. Примерами белков этой группы
служат фибриногены и тромбины , участвующие в свёртывании крови.

Химическая защита
Связывание токсинов белковыми молекулами может обеспечивать их детоксикацию.
Особенно важную роль в детоксикации у человека играют ферменты печени ,
расщепляющие яды или переводящие их в растворимую форму, что способствует их
быстрому выведению из организма.

Иммунная защита
Белки, входящие в состав крови и других биологических жидкостей, участвуют в
защитном ответе организма как на повреждение, так и на атаку патогенов. Они
нейтрализуют бактерии, вирусы или чужеродные белки.

4. Регуляторная функция

Белки этой группы регулируют различные процессы, протекающие в клетках или в организме. К белкам этой группы относятся: белки-гормоны , белки-рецепторы и пр.

Гормоны переносятся кровью. Большинство гормонов животных - это белки или пептиды. Гормоны регулируют концентрации веществ в крови и клетках, рост, размножение и другие процессы. Примером таких белков служит инсулин, который регулирует концентрацию глюкозы в крови.

5. Сигнальная функция

Сигнальная функция белков - способность белков служить сигнальными веществами, передавая сигналы между клетками, тканями, о́рганами и организмами. Часто сигнальную функцию объединяют с регуляторной, так как многие внутриклеточные регуляторные белки тоже осуществляют передачу сигналов.

Сигнальную функцию выполняют белки-гормоны, цитокины, факторы роста и др. Связывание гормона с его рецептором является сигналом, запускающим ответную реакцию клетки.

Клетки взаимодействуют друг с другом с помощью сигнальных белков, передаваемых через межклеточное вещество. К таким белкам относятся, например, цитокины и факторы роста.

6. Транспортная функция

Участие белков в переносе веществ в клетки и из клеток, в их перемещениях внутри клеток, а также в их транспорте кровью и другими жидкостями по организму.

Примером транспортных белков можно назвать гемоглобин , который переносит кислород из лёгких к остальным тканям и углекислый газ от тканей к лёгким, а также гомологичные ему белки, найденные во всех царствах живых организмов.

Некоторые мембранные белки участвуют в транспорте малых молекул через мембрану клетки, изменяя её проницаемость.

7. Запасная (резервная) функция

К таким белкам относятся так называемые резервные белки, которые запасаются в качестве источника энергии и вещества в семенах растений (например, глобулины 7S и 11S ) и яйцеклетках животных. Ряд других белков используется в организме в качестве источника аминокислот. Примерами резервных белков являются казеин , яичный альбумин .

8. Рецепторная функция

Белковые рецепторы могут находиться как в цитоплазме, так и встраиваться в клеточную мембрану.

Рецепторы реагирует изменением своей пространственной конфигурации на присоединение к ней молекулы определенного химического вещества, передающего внешний регуляторный сигнал и, в свою очередь, передает этот сигнал внутрь клетки или клеточной органеллы.

9. Моторная (двигательная) функция

Двигательный белок, моторный белок - класс молекулярных моторов, способных перемещаться. Они транформируют химическую энергию, содержащуюся в АТФ , в механическую энергию движения.

Двигательные белки обеспечивают движения организма, например, сокращение мышц.

К двигательным белкам относят белки цитоскелета - динеины , кинезины , а также белки, участвующие в мышечных сокращениях - актин , миозин .

Способы связи аминокислот в белковой молекуле

Основной структурной единицей белка являются α-аминокислоты.

Впервые, еще в 1888 г. А.Я.Данилевский установил, что аминокислоты в белковой молекуле соединяются -COOH и -NH 2 группами, образуя связи, в последующем названные пептидными связями. Пептидная связь образуется при взаимодействии карбоксильной группы первой аминокислоты с аминогруппой при α-углероде второй аминокислоты. При этом отщепляется молекула воды: например, из двух молекул аланина образуется дипептид аланил-аланин:

Соединение из двух аминокислот называют дипептидом, из трех – трипептидом и т.д. Связь –CO-NH- называется пептидной связью.

Если число аминокислотных остатков больше 10 , то называют полипептидом , свыше 50 –белками . Различают N-конец , где имеется свободная -NH 2 группа и С-конец пептида, где свободная -COOH группа аминокислоты. Кроме -COOH и -NH 2 групп, участвующих в образовании пептидной связи, аминокислоты содержат другие функциональные группы, размещенные в боковых ответвлениях белковой молекулы:

Группу атомов в молекулах аминокислот, не принимающих участие в образовании пептидной связи, называют радикалами аминокислот. Различают аминокислоты с ионами-радикалами. К этой группе относятся 7 аминокислот с радикалами, обладающими отрицательными или положительными зарядами, в т.ч. аспарагиновая и глутаминовая кислоты с "-" зарядом, тирозин и цистеин также могут нести "-" заряд; лизин, аргинин и гистидин несут "+" заряд.

Полярные радикалы имеют серии и треонин (-ОН). Сюда же относятся аспарагин, глутамин. Третья группа аминокислот имеет неполярные алифатические или ароматические радикалы (аланин, валин, лейцин, изолейцин, метионин, фенилаланин, триптофан, пролин, оксипролин). Таким образом, в построении структуры белковой молекулы кроме образования пептидной связи имеют значение свойства радикалов аминокислот.

Пептиды - имеют Мм до 5000 дальтон (50 аминокислотных остатка), проходят через полупроницаемую мембрану. В природе известно свыше 200 пептидов, в том числе в организме животных и человека различают:

1.Пептиды-гормоны: вазопрессин, окситоцин, кортикотропин, глюкагон, кальцитонин, меланостимулирующий гормон.

2.Пептиды, принимающие участие в пищеварении, – гастрин, секретин – всего 12 пептидов.

З.Ангиотензин (сосудосуживающий), брадикинин.

4.Нейропептиды.

б.Низкомолекулярные (Мм 4 кДа) пептиды, обуславливающие устойчивость животных к разным инфекциям, обладающие широким спектром антимикробной активности.

Существуют пептиды, полученные путем синтеза. Например, синтетическая пептидная вакцина против ящура получена из 16-ти аминокислотных остатков. Небелковая часть фермента окислительно-восстановительных реакций является трипептидом: это глутатион (γ-глутамил-цистеинил-глицин):

Карнозин : β-аланил-гистидин и ансерин – метил-карнозин являются дипептидами: они усиливают мышечные сокращения, обладают антиоксидантными и мембраностабилизирующими свойствами. Пептиды из глицина и пролина влияют на свертывание крови, защищают слизистую оболочку желудка, влияют на головной мозг. Пептиды эндотелины регулируют тонус сосудов.

Дипептид аспартам (аспарагин + фенилаланин) получают методом генной инженерии. Он в 300 раз слаще сахара, его добавляют в напитки вместо сахара (кока-кола).

Различают 4 уровня структуры белковой молекулы.

Первичная структура белка – это последовательность (чередование) аминокислотных остатков в пептидной цепи. В образовании этой структуры участвуют пептидные связи, частично дисульфидные. Первичная структура закодирована в генах, она определяет остальные уровни организации белка. Впервые первичная структура белка инсулина была определена Сэнджером (1953 г.). Сейчас изучена первичная структура большого числа белков. Например, молекула инсулина состоит из двух частей: А-21, В-30 аминокислотных остатков.

Строение его можно представить в следующем виде:

асп. COOH А цепь (21 аминокислотный остаток)

COOH В цепь (30 аминокислотных остатков)

Между цепями А и В и внутри А-цепи возникают дисульфидные связи. Первичная структура РНКазы из 124 аминокислотных остатков показана на рис. 2.2.

Исследование первичной структуры гемоглобина позволило установить, что серповидная анемия (рис.2.3.) – болезнь крови – обусловлена заменой лишь одной единственной аминокислоты в В цепи из 146 аминокислотных остатков.

Если в 6-положениии от N-конца находится валин вместо глутаминовой кислоты, то такой гемоглобин не выполняет функцию транспорта кислорода:

4 5 6 7 - положение аминокислот

Тре - про - глу - лиз - норма

Тре - про - вал - лиз - патология

Вторичная структура белка – это способ укладки полипептидной цепи в спиральную конфигурацию. Эта укладка происходит по программе, заложенной в первичной структуре.

Рис 2.2. Первичная структура РНКазы. Цветом выделены четыре дисульфидные связи.

Рис 2.3.Нормальные и серповидные эритроциты

Полинг и Кори установили, что глобулярные белки образуют α-спираль за счет водородных связей между радикалами аминокислот. Водородная связь возникает за счет карбонильной группы одного радикала и аминной группы другого радикала, между атомами кислорода и водорода, азота и водорода:

Карбонильная группа и NH-группа способны образовывать водородную связь между собой. Атомы кислорода и водорода пептидной группы занимают транс-положение, а вокруг - CH возможно свободное вращение:

В результате этого образование водородных связей обуславливает определенную форму пептида. Различают три типа вторичной структуры пептидных цепей: α-спираль, β-структура (складчатый слой), беспорядочный клубок.

α-спираль – это виток по часовой стрелке (рис.2.4).

Каждый виток содержит 3,6 аминокислот 5,4 А (1,5 А на 1 аминокислоту), через каждые 5 витков (18 аминокислотных остатков) структурная конфигурация повторяется, α-спиральную структуру имеют фибриллярные белки – кератины волос, шерсти, кожи, где -S-S- связи придают высокую прочность.

В складчатом слое (β-структура) пептидные цепи расположены параллельно друг другу в один слой, образуя фигуру гармошки или листа. Слой может быть образован двумя или большим числом пептидов.

Домены представляют собой надвторичную структуру (рис.2.5).

Водородная связь может образоваться не только между карбонильной группой (отрицательный заряд кислорода) и атомом водорода иминогруппы =NH другой полипептидной цепи, но и между двумя гидроксильными группами

и гидроксильной группой серина и тирозина.

Вторичная структура коллагена. Количество коллагена в организме составляет 1/3 (сухожилия, связки, суставные капсулы и т.д.) от общего количества белков.

Рис. 2.4. Структура и параметры α-спирали.

В отличие от α- спирали кератинов коллаген плохо поддается растяжению. В составе коллагена много глицина - 1/3 из общего количества аминокислотных остатков, 1/4 и более составляют пролин и оксипролин. Эти аминокислоты нарушают способность полипептидных цепей образовывать α-спираль. В коллагене каждые 3 полипептидные цепи скручены и образуют тройную спираль.

Третичная структура белка. Это пространственная ориентация полипептидной спирали или способ укладки полипептидной цепи в определенном объеме.

Первый белок, третичная структура которого была выяснена англичанином Дж. Кендрью. Это миоглобин кашалота, молекулярная масса 16700 Да, содержит 153 аминокислотных остатка. Имеет одну полипептидную цепь. Полипептидная цепь представлена в виде изогнутой трубки, компактно уложенной вокруг гема (небелкового компонента, содержащего железо).

В настоящее время благодаря повышению эффективности рентгеноструктурного анализа расшифрована третичная структура многих белков.

Складчатый слой Домены

Рис. 2.5. Схема складчатого слоя и доменов.

Некоторые типы связей, стабилизирующих третичную структуру представлены на рис.2.6. пептид

Рис.2.6. Связи, стабилизирующие вторичную и третичную структуру.

Третичная структура обеспечивается за счет пептидных и дисульфидных связей, но основную роль играют нековалентные связи – водородные, межмолекулярные силы Ван-дер-Ваальса-Лондона, гидрофобные взаимодействия и т.д.

Третичная структура белка возникает после завершения синтеза его на рибосомах, автоматически. Она определена первичной структурой – последовательностью аминокислотных остатков в полипептидной цепи. Третичная структура связана с биологической активностью белковой молекулы (каталитической, гормональной, антигенной и т.д.). Любые физико-химические воздействия, приводящие к разрыву водородных связей, а также других некоторых связей, и тем самым разрушающие нативную конформацию молекулы, сопровождаются частичной или полной потерей белком его биологических свойств (рис. 2.7.).

Четвертичная структура белка. Это укладка в пространстве отдельных полипептидных цепей, обладающих одинаковой (или разной) первичной, вторичной и третичной структурой, и формирование единого макромолекулярного образования. Каждая отдельная полипептидная цепь (протомер) чаще всего не обладает биологической активностью. Эту способность биологическая молекула приобретает при определенном способе пространственного объединения входящих в его состав протомеров, при этом образуется мультимер.

Рис.2.7. Денатурация и ренатурация рибонуклеазы (по Анфинсену).

а - развертывание (мочевина + меркаптоэтанол);

б - повторное свертывание

Например, молекула гемоглобина состоит из α- и β- субчастиц, каждая из которых состоит из двух полипептидных цепей. Каждая из 4-х полипептидов окружает группу гема, содержащего атом двухвалентного железа. При определенных условиях в присутствии солей, мочевины, изменении рН, молекул; гемоглобина обратимо диссоциирует на 2 α- и 2 β-цепи, что связано с разрывом водородных связей. После удаления солей, мочевины при изменения рН происходит автоматическое восстановление исходной молекулы (рис.2.8).

Рис.2.8. Обратимая диссоциация молекулы гемоглобина.

Белок вируса табачной мозаики имеет гигантскую молекулу с молекулярной массой около 40 х10 б Да, вирус состоит из 1 молекулы РНК и 2130 белковых субъединиц с молекулярной массой каждой 17500 Да. Вокруг РНК расположены белковые субъединицы, образующие спиральную структуру, которая имеет 130 витков. После добавления детергентов РНК может быть удалена; что самое удивительное - вирусная частица вновь может быть собрана автоматически после удаления детергентов. При этом восстанавливаются и биологические свойства вируса инфекционность, антигенная активность и т.д. (рис. 2.9.).

Рис. 2.9. Самосборка вируса табачной мозаики.

Микротрубочки имеются во всех клетках. Постоянно то распадаются, то вновь образуются, принимают участие во внутриклеточном транспорте веществ, в движении хромосом при делении клеток. Они построены из тубулина, который состоит из двух пептидов с Мм 111500 Да. Их можно выделить из клеток; под действием Mg 2+ образуются микротрубочки.

Рибосомы, клеточные мембраны также образованы из нескольких полипептидов (протомеров), которые взаимно укладываются и создают четвертичную структуру.

В середине 80-х годов было обнаружено, что в клетке существует особая категория белков, основной функцией которых является обеспечение правильного характера сворачивания полипептидных цепей в нативную структуру. Эти белки получили название "молекулярные шапероны". Они состоят из полипептидов, организованных в два семичленные кольца, лежащих одно под другим. В центре построенного таким образом цилиндра имеется полость – канал (диаметром 45 ангстрем), в котором происходит сворачивание полипептидной цепи. Кроме того, в укладке белковой молекулы участвуют ферменты фольдазы, катализирующие образование дисульфидных связей и изомерные превращения некоторых стабильных транс-пептидил-пролильных связей в цис-конфигурацию, необходимую для функциональной активности.