Структурна організація білків. Білки: будова білків та функції Структура одного білка визначається групою

Білки та їх функції.

Вивчимо основні речовини, що складають наші з вами організми. Одні з них найважливіші це білки.

Білки(Протеїни, поліпептиди) - вуглецеві речовини, що складаються з з'єднаних в ланцюжок амінокислот. Є обов'язковою складовою всіх клітин.

Амінокислоти- вуглецеві сполуки, в молекулах яких одночасно містяться карбоксильні (-COOH) та амінні (NH2) групи.

З'єднання, що складається з великої кількості амінокислот, називається - поліпептидом. Кожен білок за своїм хімічної будовиє поліпептидом. Деякі білки складаються з кількох поліпептидних ланцюгів. У складі більшості білків у середньому 300-500 залишків амінокислот. Відомо кілька дуже коротких природних білків, довжиною 3-8 амінокислот, і дуже довгих біополімерів, довжиною більш ніж 1500 амінокислот.

Властивості білків, що визначають їх амінокислотний склад, у строго зафіксованій послідовності, а амінокислотний склад у свою чергу визначається генетичним кодом. Під час створення білків використовується 20 стандартних амінокислот.

Структура білків.

Виділяють кілька рівнів:

- Первинна структура -визначається порядком чергування амінокислот у поліпептидному ланцюзі.

Двадцять різних амінокислот можна уподібнити до 20 літер хімічного алфавіту, з яких складені «слова» завдовжки 300-500 літер. За допомогою 20 літер можна написати безліч таких довгих слів. Якщо вважати, що заміна або перестановка хоча б однієї літери в слові надає йому нового змісту, то кількість комбінацій у слові завдовжки 500 літер складе 20500.

Відомо, що заміна навіть однієї амінокислотної ланки іншим у білковій молекулі змінює її властивості. У кожній клітці міститься кілька тисяч різних видівбілкових молекул, і кожного з них характерна суворо певна послідовність амінокислот. Саме порядок чергування амінокислот у цій білковій молекулі визначає її особливі фізико-хімічні та біологічні властивості. Дослідники вміють розшифровувати послідовність амінокислот у довгих білкових молекулах та синтезувати такі молекули.

- Вторинна структура– білкові молекули як спіралі, з однаковими відстанями між витками.

між групами N-Нта С=О, розташованими на сусідніх витках, виникають водневі зв'язки. Вони повторені багаторазово, скріплюють регулярні витки спіралі.

- Третинна структура- Утворення спіралієвого клубка.

Цей клубок утворений закономірним переплетенням ділянок білкового ланцюга. Позитивно і негативно заряджені групи амінокислот притягуються і зближують навіть далеко віддалені один від одного ділянки білкового ланцюга. Зближуються й інші ділянки білкової молекули, що несуть, наприклад, водовідштовхувальні (гідрофобні) радикали.

Для кожного виду білка характерна своя форма клубка з вигинами та петлями. Третинна структура залежить від первинної структури, тобто від порядку розташування амінокислот у ланцюзі.
- Четвертична структура- Збірний білок, що складається з декількох ланцюгів, що відрізняються за первинною структурою.
Об'єднуючись разом, вони створюють складний білок, що має не лише третинну, а й четвертинну структуру.

Денатурація білків.

Під дією іонізуючої радіації, високої температури, сильного збовтування, екстремальних значень рН (концентрація іонів водню), а також ряду органічних розчинників, таких як спирт або ацетон, білки змінюють свій природний стан. Порушення природної структури білка називають денатурацією.Переважна більшість білків втрачає при цьому біологічну активність, хоча первинна структура після денатурації їх не змінюється. Справа в тому, що в процесі денатурації порушуються вторинна, третинна та четвертинна структури, зумовлені слабкими взаємодіями між амінокислотними залишками, а ковалентні пептидні зв'язки (з поєднанням електронів) не розриваються. Необоротну денатурацію можна спостерігати при нагріванні рідкого та прозорого білка курячого яйця: він стає щільним та непрозорим. Денатурація може бути оборотною. Після усунення денатуруючого чинника багато білки здатні відновити природну форму, тобто. ренатурувати.

Здатність білків до оборотної зміни просторової структури у відповідь дію фізичних чи хімічних чинників є основою дратівливості - найважливішого властивості всіх живих істот.

Функції білків.

Каталітична.

У кожній живій клітині відбуваються безперервно сотні біохімічних реакцій. У ході цих реакцій йдуть розщеплення і окислення поживних речовин, що надходять ззовні. Отриману внаслідок окислення енергію поживних речовин та продукти їх розщеплення клітина використовує для синтезу необхідних їй різноманітних речовин. органічних сполук. Швидке перебіг таких реакцій забезпечують біологічні каталізатори, або прискорювачі реакцій - ферменти. Відомо понад тисячу різних ферментів. Усі вони білки.
Білки-ферменти – прискорюють реакції, що протікають в організмі. Ферменти беруть участь у розщепленні складних молекул (катаболізм) та їх синтезі (анаболізм), а також створення та ремонт ДНК та матричного синтезуРНК.

Структурна.

Структурні білки цитоскелета, як свого роду арматура, надають форму клітин і багатьом органоїдам і беруть участь у зміні форми клітин. Колаген та еластин – основні компоненти міжклітинної речовини сполучної тканини (наприклад, хряща), а з іншого структурного білка кератину складаються волосся, нігті, пір'я птахів та деякі раковини.

Захисна.

1. Фізичний захист.(Приклад: колаген - білок, що утворює основу міжклітинної речовини сполучних тканин)

1. Хімічний захист.Зв'язування токсинів білковими молекулами забезпечує їхню детоксикацію. (Приклад: ферменти печінки, що розщеплюють отрути або переводять їх у розчинну форму, що сприяє їх швидкому виведенню з організму)

1. Імунний захист.На влучення бактерій чи вірусів у кров тварин і людини організм реагує виробленням спеціальних захисних білків - антитіл. Ці білки пов'язуються з чужорідними для організму білками збудників захворювань, чим пригнічується їхня життєдіяльність. На кожен чужорідний білок організм виробляє спеціальні антибілки - антитіла.

Регуляторна.

Гормони переносяться кров'ю. Більшість гормонів тварин – це білки чи пептиди. Зв'язування гормону з рецептором є сигналом, що запускає в клітині реакцію у відповідь. Гормони регулюють концентрації речовин у крові та клітинах, ріст, розмноження та інші процеси. Прикладом таких білків є інсулінякий регулює концентрацію глюкози в крові.

Клітини взаємодіють один з одним за допомогою сигнальних білків, що передаються через міжклітинну речовину. До таких білків відносяться, наприклад, цитокіни та фактори росту.

Цитокіни- Невеликі пептидні інформаційні молекули. Вони регулюють взаємодії між клітинами, визначають їхню виживання, стимулюють або пригнічують ріст, диференціювання, функціональну активність і програмовану клітинну смерть, забезпечують узгодженість дій імунної, ендокринної та нервової систем.

Транспортні.

Тільки білки здійснюють перенесення речовин у крові, наприклад, ліпопротеїни(перенесення жиру), гемоглобін(транспорт кисню), трансферин(транспорт заліза) або через мембрани - Na+,К+-АТФаза(протилежне трансмембранне перенесення іонів натрію і калію), Са2+-АТФаза(Викачування іонів кальцію з клітини).

Рецепторна.

Білкові рецептори можуть перебувати в цитоплазмі, так і вбудовуватися в клітинну мембрану. Одна частина молекули рецептора сприймає сигнал, яким найчастіше служить хімічна речовина, а в деяких випадках - світло, механічна дія (наприклад, розтяг) і інші стимули.

Будівництво.

Тварини у процесі еволюції втратили здатність здійснювати синтез десяти особливо складних амінокислот, які називаються незамінними. Вони отримують їх у готовому вигляді з рослинною та тваринною їжею. Такі амінокислоти містяться в білках молочних продуктів (молоко, сир, сир), у яйцях, рибі, м'ясі, а також у сої, бобах та деяких інших рослинах. У травному тракті білки розщеплюються до амінокислот, які всмоктуються у кров і потрапляють у клітини. У клітинах із готових амінокислот будуються власні білки, характерні для даного організму. Білки є обов'язковим компонентом всіх клітинних структур і в цьому полягає їхня важлива будівельна роль.

Енергетична.

Білки можуть бути джерелом енергії для клітини. При нестачі вуглеводів чи жирів окислюються молекули амінокислот. Енергія, що звільнилася при цьому, використовується на підтримку процесів життєдіяльності організму. При тривалому голодуванні використовуються білки м'язів, лімфоїдних органів, епітеліальних тканин та печінки.

Моторна (рухова).

Цілий клас моторних білків забезпечує рухи організму, наприклад, скорочення м'язів, у тому числі рух міозинових містків у м'язі, переміщення клітин усередині організму (наприклад, амебоїдний рух лейкоцитів).

Насправді це дуже короткий описфункцій білків, що тільки наочно може продемонструвати їх функції та значущість в організмі.

Небагато відео для розуміння про білки:

Білок - це послідовність амінокислот, пов'язаних другз другом пептидними зв'язками.

Легко уявити, що кількість амінокислот може бути різною: від мінімум двох до будь-яких розумних величин. Біохіміки домовилися вважати, що якщо кількість амінокислот не перевищує 10, то така сполука називається пептид; якщо від 10 і більше амінокислот-поліпептид. Поліпептиди, здатні спонтанно формувати та утримувати певну просторову структуру, яка називається конформацією, відносять до білків. Стабілізація такої структури можлива лише при досягненні поліпептидами певної довжини (більше 40 амінокислот), тому зазвичай білками вважають поліпептиди молекулярною масою більше 5 000 Да. (1Так дорівнює 1/12 ізотопу вуглецю). Тільки маючи певну просторову будову (нативну структуру), білок може виконувати свої функції.

Розмір білка може вимірюватися в дальтонах ( молекулярна маса), частіше через відносно велику величину молекули у похідних одиницях — кілодальтонах (кДа). Білки дріжджів у середньому складаються з 466 амінокислот і мають молекулярну масу 53 кДа. Найбільший із відомих нині білків — титин — є компонентом саркомерів м'язів; молекулярна маса його різних ізоформ варіює в інтервалі від 3000 до 3700 кДа, він складається з 38138 амінокислот (у людському м'язі solius).

Структура білка

Тривимірна структура білка формується у процесі фолдингу (від англ. folding -"Згортання"). Тривимірна структура формується внаслідок взаємодії структур нижчих рівнів.

Виділяють чотири рівні структури білка:

Первинна структура- Послідовність амінокислот в поліпептидному ланцюгу.

Вторинна структура- Це розміщення в просторі окремих ділянок поліпептидного ланцюга.

Нижче наведені найпоширеніші типи вторинної структури білків:

α-спіралі- щільні витки навколо довгої осі молекули, один виток становлять 3,6 амінокислотних залишків, і крок спіралі становить 0,54 нм (на один амінокислотний залишок припадає 0,15 нм), спіраль стабілізована водневими зв'язками між H і O пептидних груп, що віддаляються один від друга на 4 амінокислотні залишки. Спіраль побудована виключно з одного типу амінокислот стереоізомерів (L). Хоча вона може бути як лівозакрученою, так і правозакрученою, у білках переважає правозакручена. Спіраль порушують електростатичні взаємодії глутамінової кислоти, лізину, аргініну. Розташовані близько один до одного залишки аспарагіну, серину, треоніну і лейцину можуть стерично заважати утворенню спіралі, залишки проліну викликає вигин ланцюга і також порушують структуру α-спіралі.

β-складчасті шари- кілька зигзагоподібних поліпептидних ланцюгів, в яких водневі зв'язки утворюються між відносно віддаленими один від одного (0,347 нм на амінокислотний залишок) у первинній структурі амінокислотами або різними ланцюгами білка, а не близько розташованими, як має місце в α-спіралі. Ці ланцюги зазвичай направлені N-кінцями у протилежні сторони (антипаралельна орієнтація). Для утворення β-складчастих шарів важливі невеликі розміри бічних груп амінокислот, зазвичай переважають гліцин та аланін.

Укладання білка у вигляді β-складчастого шару

Неупорядковані структури - це невпорядковане розташування білкового ланцюга у просторі.

Просторова структура кожного білка індивідуальна та визначається його первинною структурою. Однак порівняння конформацій різних за структурою та функціями білків виявило наявність у них схожих поєднань елементів вторинної структури. Такий специфічний порядок формування вторинних структур називають супервторинною структурою білків. Супервторинна структура формується рахунок міжрадикальних взаємодій.

Певні характерні поєднання α-спіралей та β-структур часто позначають як "структурні мотиви". Вони мають специфічні назви: "α-спіраль-поворот-α-спіраль", "структура α/β-бочонка", "лейцинова застібка-блискавка", "цинковий палець" та ін.

Третинна структура- це спосіб розміщення у просторі всього поліпептидного ланцюга. Поряд з α-спіралями, β-складчастими шарами та супервторинними структурами у третинній структурі виявляється невпорядкована конформація, яка може займати значну частину молекули.

Схематичне подання укладання білка в третинну структуру.

Четвертична структуравиникає у білків, які складаються з кількох поліпептидних ланцюгів (субодиниць, протомерів або мономерів), при об'єднанні третинних структур цих субодиниць. Наприклад, молекула гемоглобіну складається з 4 субодиниць. Четвертичну структуру мають надмолекулярні утворення - мультиферментні комплекси, які складаються з кількох молекул ферментів і коферментів (піруватдегідрогеназа), та ізоферменти (лактатдегідрогеназа - ЛДГ, креатинфосфокіназа - КФК).

Отже. Просторова структура залежить немає від довжини полипептидной ланцюга, як від послідовності амінокислотних залишків, специфічної кожному за білка, і навіть від бічних радикалів, властивих відповідним амінокислотам. Просторову тривимірну структуру або конформацію білкових макромолекул утворюють насамперед водневі зв'язки, гідрофобні взаємодії між неполярними бічними радикалами амінокислот, іонні взаємодії між зарядженими протилежно бічними групами амінокислотних залишків. Водневі зв'язки відіграють величезну роль у формуванні та підтримці просторової структури білкової макромолекули.

Щодо гідрофобних взаємодій, то вони виникають в результаті контакту між неполярними радикалами, нездатними розірвати водневі зв'язки між молекулами води, яка витісняється на поверхню білкової глобули. У міру синтезу білка неполярні хімічні угруповання збираються всередині глобули, а полярні витісняються її поверхню. Таким чином, білкова молекула може бути нейтральною, зарядженою позитивно або негативно в залежності від рН розчинника та іоногенних груп у білку. Крім того, конформація білків підтримується ковалентними зв'язками SS, що утворюються між двома залишками цистеїну. В результаті утворення нативної структури білка багато атомів, що знаходяться на віддалених ділянках поліпептидного ланцюга, зближуються і, впливаючи один на одного, набувають нових властивостей, відсутні в індивідуальних амінокислот або невеликих поліпептидів.

Важливо розуміти, що фолдинг — згортання білків (та інших біомакромолекул) з розгорнутої конформації в «нативну» форму — фізико-хімічний процес, в результаті якого білки у своєму природному «довкілля» (розчині, цитоплазмі або мембрані) набувають характерних лише для них просторове укладання та функції.

У клітинах є ряд каталітично неактивних білків, які тим не менш роблять великий внесок в утворення просторових структур білків. Це звані шаперони. Шаперони допомагають правильному складання тривимірної білкової конформації шляхом утворення оборотних нековалентних комплексів з частково згорнутим поліпептидним ланцюгом, одночасно інгібуючи неправильно утворені зв'язки, що ведуть до формування функціонально неактивних білкових структур. До переліку функцій, властивих шаперонам, входить захист розплавлених (частково згорнутих) глобул від агрегації, а також перенесення новосинтезованих білків у різні локуси клітин.

Шаперони переважно є білками теплового шоку, синтез яких різко посилюється при стресовому температурному впливі, тому їх називають ще hsp (heat shock proteins). Сімейства цих білків знайдені в мікробних, рослинних та тваринних клітинах. Класифікація шаперонів заснована на їхній молекулярній масі, яка варіює від 10 до 90 kDa. Вони є білками-помічниками процесів утворення тривимірної структури білків. Шаперони утримують новосинтезовану поліпептидну ланцюг у розгорнутому стані, не даючи їй звернутися на відміну від нативної форми, і забезпечують умови для єдино правильної, нативної структури білка.

У процесі фолдингу білка деякі конформації молекули забраковуються на стадії розплавленої глобули. Деградацію таких молекул ініціює білок убіквітін.

Деградація білка по убіквітіновому шляху включає дві основні стадії:

1) ковалентне приєднання убіквітину до підлягає деградації білку через залишок лізину, наявність такої мітки в білку є первинним сигналом сортування, що направляє кон'югати, що утворилися до протеасом, в більшості випадків до білка приєднується кілька молекул убиквитина, які організовані у вигляді бусинок на нитці.;

2) гідроліз білка протеосомою (основна функція протеасоми – протеолітична деградація непотрібних та пошкоджених білків до коротких пептидів). Убіквітін заслужено називають "міткою смерті" для білка.

Доме?н білка? - елемент третинної структури білка, що є досить стабільну і незалежну підструктуру білка, чий фолдинг проходить незалежно від інших частин. До складу домену зазвичай входить кілька елементів вторинної структури. Подібні за структурою домени зустрічаються не тільки у споріднених білках (наприклад, у гемоглобінах різних тварин), але і в різних білках. Білок може мати кілька доменів, ці ділянки можуть виконувати різні функції в тому самому білку. Доменну структурумають деякі ферменти та всі імуноглобуліни. Білки з довгими поліпептидними ланцюгами (понад 200 амінокислотних залишків) часто створюють доменні структури.

Первинною структурою білків називається лінійний 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'язки між α-аміногрупою однієї амінокислоти та α-карбоксильною групою іншої амінокислоти.

Якщо в освіті пептидного зв'язкубере участь іміногрупа проліну або гідроксипроліну, то вона має інший вигляд

При утворенні пептидних зв'язків у клітинах спочатку активується карбоксильна група однієї амінокислоти, а потім вона з'єднується з аміногрупою іншою. Приблизно також проводять лабораторний синтез поліпептидів.

Пептидна зв'язок є фрагментом поліпептидного ланцюга, що повторюється. Вона має низку особливостей, які впливають не тільки на форму первинної структури, а й на найвищі рівні організації поліпептидного ланцюга:

· Копланарність - всі атоми, що входять до пептидної групи, знаходяться в одній площині;

· Здатність існувати у двох резонансних формах (кето-або енольной формі);

· транс-положення заступників стосовно С-N-зв'язку;

· Здатність до утворення водневих зв'язків, причому кожна з пептидних груп може утворювати два водневі зв'язки з іншими групами, у тому числі і пептидними.

Виняток становлять пептидні групи за участю аміногрупи проліну або гідроксипроліну. Вони здатні утворювати лише один водневий зв'язок (див. вище). Це позначається на формуванні вторинної структури білка. Поліпептидний ланцюг на ділянці, де знаходиться пролін або гідроксипролін, легко згинається, оскільки не утримується, як завжди, другим водневим зв'язком.

схема утворення трипептиду:

Рівні просторової організації білків: вторинна структура білків: поняття про α-спіраль та β-складчастий шар. Третинна структура білків: поняття про нативний білок та денатурацію білка. Четвертична структура білків з прикладу будови гемоглобіну.

Вторинна структура білка.Під вторинною структурою білка розуміють спосіб укладання поліпептидного ланцюга у впорядковану структуру. По конфігурації виділяють такі елементи вторинної структури: α -спіраль та β -Складчастий шар.

Модель будови α-спіралі, що враховує всі властивості пептидного зв'язку, була розроблена Л. Полінгом та Р. Корі (1949 - 1951 рр.).

На малюнку 3, азображена схема α -спіралі, що дає уявлення про основні її параметри Поліпептидна ланцюг згортається в α -спіраль таким чином, що витки спіралі регулярні, тому спіральна конфігурація має гвинтову симетрію (рис. 3, б). на кожен виток α -спіралі припадає 3,6 амінокислотних залишків. Відстань між витками або крок спіралі становить 0,54 нм, кут підйому витка дорівнює 26 °. Формування та підтримка α -спіральної конфігурації відбувається за рахунок водневих зв'язків, що утворюються між пептидними групами кожного n-го та ( п+ 3)-го амінокислотних залишків. Хоча енергія водневих зв'язків мала, велика кількістьїх призводить до значного енергетичного ефекту, внаслідок чого α -Спіральна конфігурація досить стійка. Бічні радикали амінокислотних залишків не беруть участь у підтримці α -спіральної конфігурації, тому всі амінокислотні залишки в α -Спіралі рівнозначні.

У природних білках існують лише правозакручені α -Спіралі.

β-Складчастий шар- Другий елемент вторинної структури. На відміну від α -спіралі β -Складчастий шар має лінійну, а не стрижневу форму (рис. 4). Лінійна структура утримується завдяки виникненню водневих зв'язків між пептидними угрупованнями, що стоять на різних ділянках поліпептидного ланцюга. Ці ділянки виявляються зближеними на відстань водневого зв'язку між - С = О та HN - групами (0,272 нм).

Мал. 4. Схематичне зображення β -складчастого шару (стрілками вказано

про напрямок поліпептидного ланцюга)

Мал. 3. Схема ( а) та модель ( б) α -спіралі

Вторинна структура білка визначається первинною. Амінокислотні залишки в різного ступеняздатні до утворення водневих зв'язків, це впливає на освіту α -спіралі або β -Шару. До спіралеутворюючих амінокислот відносяться аланін, глутамінова кислота, глутамін, лейцин, лізин, метіонін і гістидин. Якщо фрагмент білка складається головним чином із перерахованих вище амінокислотних залишків, то на даній ділянці сформується α -Спіраль. Валін, ізолейцин, треонін, тирозин та фенілаланін сприяють утворенню β -Шарів поліпептидного ланцюга. Неупорядковані структури виникають на ділянках поліпептидного ланцюга, де сконцентровані такі амінокислотні залишки, як гліцин, серії, аспарагінова кислота, аспарагін, пролін.

У багатьох білках одночасно є і α -спіралі, та β -Шари. Частка спіральної конфігурації у різних білків різна. Так, м'язовий білок параміозин практично на 100% спіралізований; висока частка спіральної конфігурації у міоглобіну та гемоглобіну (75%). Навпаки, у трипсину та рибонуклеази значна частина поліпептидного ланцюга укладається в шаруваті β -структури. Білки опорних тканин - кератин (білок волосся), колаген (білок шкіри та сухожилля) - мають β -Конфігурацію поліпептидних ланцюгів.

Третинна структура білка.Третинна структура білка - це спосіб укладання поліпептидного ланцюга у просторі. Щоб білок придбав властиві йому функціональні властивості, поліпептидний ланцюг повинен певним чином згорнутися у просторі, сформувавши функціонально активну структуру. Така структура називається нативний. Незважаючи на величезну кількість теоретично можливих для окремого поліпептидного ланцюга просторових структур, згортання білка призводить до утворення єдиної нативної конфігурації.

Стабілізують третинну структуру білка взаємодії, що виникають між бічними радикалами амінокислотних залишків різних ділянок поліпептидного ланцюга. Ці взаємодії можна поділити на сильні та слабкі.

До сильних взаємодій відносяться ковалентні зв'язки між атомами сірки залишків цистеїну, що стоять у різних ділянках поліпептидного ланцюга. Інакше такі зв'язки називаються дисульфідними мостами; утворення дисульфідного мосту можна зобразити наступним чином:

Крім ковалентних зв'язківтретинна структура білкової молекули підтримується слабкими взаємодіями, які, своєю чергою, поділяються на полярні і неполярні.

До полярних взаємодій відносяться іонні та водневі зв'язки. Іонні взаємодії утворюються при контакті позитивно заряджених груп бічних радикалів лізину, аргініну, гістидину та негативно зарядженої СООН-групи аспарагінової та глутамінової кислот. Водневі зв'язки виникають між функціональними групами бічних радикалів амінокислотних залишків.

Неполярні або ван-дер-ваальсові взаємодії між вуглеводневими радикалами амінокислотних залишків сприяють формуванню гідрофобного ядра (Жирної краплі) всередині білкової глобули, т.к. Вуглеводневі радикали прагнуть уникнути зіткнення з водою. Чим більше у складі білка неполярних амінокислот, тим більше велику рольу формуванні його третинної структури грають ван-дер-ваальсові зв'язки.

Численні зв'язки між бічними радикалами амінокислотних залишків визначають просторову конфігурацію білкової молекули (рис. 5).

Мал. 5. Типи зв'язків, що підтримують третинну структуру білка:
а- дисульфідний місток; б -іонний зв'язок; в, г -водневі зв'язки;
д -ван-дер-ваальсові зв'язки

Третинна структура окремо взятого білка унікальна, як унікальна та її первинна структура. Тільки правильне просторове укладання білка робить його активним. Різні порушення третинної структури призводять до зміни властивостей білка та втрати біологічної активності.

Четвертична структура білка.Білки з молекулярною масою понад 100 кДа 1 складаються, як правило, з кількох поліпептидних ланцюгів із порівняно невеликою молекулярною масою. Структура, що складається з певної кількості поліпептидних ланцюгів, що займають строго фіксоване положення відносно один одного, внаслідок чого білок має ту чи іншу активність, називається четвертинною структурою білка. Білок, що має четвертинну структуру, називається епімолекулоюабо мультимером , а складові його поліпептидні ланцюги - відповідно субодиницями або протомірами . Характерною властивістюбілків з четвертинною структурою є те, що окрема субодиниця не має біологічної активності.

Стабілізація четвертинної структури білка відбувається за рахунок полярних взаємодій між бічними радикалами амінокислотних залишків, локалізованих на поверхні субодиниць. Такі взаємодії міцно утримують субодиниці як організованого комплексу. Ділянки субодиниць, у яких відбуваються взаємодії, називаються контактними майданчиками.

Класичним прикладомбілка, що має четвертинну структуру, є гемоглобін. Молекула гемоглобіну з молекулярною масою 68 000 Так складається з чотирьох субодиниць двох різних типів. α і β / α -Субодиниця складається з 141 амінокислотного залишку, a β - із 146. Третинна структура α - І β -субодиниця подібна, як і їх молекулярна маса (17 000 Так). Кожна субодиниця містить простетичну групу - гем . Оскільки гем є і в інших білках (цитохроми, міоглобін), які вивчатимуться далі, хоча б коротко обговоримо структуру теми (рис. 6). Угруповання гема є складною копланарною циклічною системою, що складається з центрального атома, який утворює координаційні зв'язки з чотирма залишками піролу, з'єднаними метановими містками (= СН -). У гемоглобіні залізо зазвичай перебуває у стані окислення (2+).

Чотири субодиниці – дві α і дві β - з'єднуються в єдину структуру таким чином, що α -субодиниці контактують тільки з β -субодиницями і навпаки (рис. 7).

Мал. 6. Структура гему гемоглобіну

Мал. 7. Схематичне зображення четвертинної структури гемоглобіну:
Fe - гем гемоглобіну

Як видно з малюнка 7, одна молекула гемоглобіну здатна переносити 4 молекули кисню. І зв'язування, і звільнення кисню супроводжується конформаційними змінами структури α - І β -субодиниць гемоглобіну та їх взаємного розташування в епімолекулі Цей факт свідчить, що четвертинна структура білка перестав бути абсолютно жорсткої.

Подібна інформація.

Доведено існування 4 рівнів структурної організації білкової молекули.

Первинна структура білка– послідовність розташування амінокислотних залишків у поліпептидному ланцюзі. У білках окремі амінокислоти пов'язані один з одним пептидними зв'язками, що виникають при взаємодії a-карбоксильних та a-аміногруп амінокислот

Наразі розшифровано первинну структуру десятків тисяч різних білків. Для визначення первинної структури білка методами гідролізу з'ясовують склад амінокислот. Потім визначають хімічну природукінцевих амінокислот. Наступний етап - визначення послідовності амінокислот у поліпептидному ланцюзі. Для цього використовують вибірковий частковий (хімічний та ферментативний) гідроліз. Можливе застосування рентгеноструктурного аналізу, а також даних про комплементарну нуклеотидну послідовність ДНК.

Вторинна структура білка- Конфігурація поліпептидного ланцюга, тобто. спосіб упаковки поліпептидного ланцюга певну конформацію. Процес цей протікає не хаотично, а відповідно до програми, закладеної у первинній структурі.

Стабільність вторинної структури забезпечується в основному водневими зв'язками, проте певний внесок роблять ковалентні зв'язки – пептидні та дисульфідні.

Найбільш вірогідним типом будови глобулярних білків вважають a-спіраль. Закручування поліпептидного ланцюга відбувається за годинниковою стрілкою. Для кожного білка характерний певний ступінь спіралізації. Якщо ланцюги гемоглобіну спіралізовані на 75%, то пепсину всього на 30%.

Тип конфігурації поліпептидних ланцюгів, виявлених у білках волосся, шовку, м'язів, отримав назву b-структури. Сегменти пептидного ланцюга розташовуються в один шар, утворюючи фігуру, подібну до листа, складеного в гармошку. Шар може бути утворений двома або великою кількістюпептидних ланцюгів.

У природі існують білки, будова яких відповідає ні β-, ні a-структурі, наприклад, колаген - фібрилярний білок, що становить основну масу сполучної тканини в організмі людини і тварин.

Третинна структура білка- Просторова орієнтація поліпептидної спіралі або спосіб укладання поліпептидного ланцюга в певному обсязі. Перший білок, третинна структура якого була з'ясована рентгеноструктурним аналізом – міоглобін кашалоту (рис. 2).

У стабілізації просторової структури білків, крім ковалентних зв'язків, основну роль відіграють нековалентні зв'язки (водневі, електростатичні взаємодії заряджених груп, міжмолекулярні ван-дер-ваальсові сили, гідрофобні взаємодії тощо).

За сучасними уявленнями, третинна структура білка після завершення його синтезу формується спонтанно. Основний рушійною силоює взаємодія радикалів амінокислот із молекулами води. При цьому неполярні гідрофобні радикали амінокислот занурюються всередину білкової молекули, а полярні радикали орієнтуються у бік води. Процес формування нативної просторової структури поліпептидного ланцюга називають фолдингом. З клітин виділено білки, названі шаперон.Вони беруть участь у фолдингу. Описано ряд спадкових захворюваньлюдини, розвиток яких пов'язують із порушенням внаслідок мутацій процесу фолдингу (пігментози, фібрози та ін.).

Методами рентгеноструктурного аналізу доведено існування рівнів структурної організації білкової молекули, проміжних між вторинною та третинною структурами. Домен- Це компактна глобулярна структурна одиниця всередині поліпептидного ланцюга (рис. 3). Відкрито багато білків (наприклад, імуноглобуліни), що складаються з різних за структурою та функціями доменів, що кодуються різними генами.

Усі біологічні властивості білків пов'язані із збереженням їх третинної структури, яку називають нативний. Білкова глобула не є абсолютно жорсткою структурою: можливі оборотні переміщення частин пептидного ланцюга. Ці зміни не порушують загальну конформацію молекули. На конформацію молекули білка впливають рН середовища, іонна сила розчину, взаємодія з іншими речовинами. Будь-які дії, що призводять до порушення нативної конформації молекули, супроводжуються частковою або повною втратою білком його біологічних властивостей.

Четвертична структура білка- спосіб укладання в просторі окремих поліпептидних ланцюгів, що володіють однаковою або різною первинною, вторинною або третинною структурою, та формування єдиного у структурному та функціональному відносинах макромолекулярного утворення.

Білкову молекулу, що складається з кількох поліпептидних ланцюгів, називають олігомером, а кожен вхідний до нього ланцюг - протоміром. Олігомірні білки частіше побудовані з парного числа протомерів, наприклад, молекула гемоглобіну складається з двох a- та двох b-поліпептидних ланцюгів (рис. 4).

Четвертичну структуру має близько 5% білків, у тому числі гемоглобін, імуноглобуліни. Субодинична будова властива багатьом ферментам.

Білкові молекули, що входять до складу білка з четвертинною структурою, утворюються на рибосомах окремо і лише після закінчення синтезу утворюють загальну надмолекулярну структуру. Біологічну активність білок набуває тільки при об'єднанні протомерів, що входять до його складу. У стабілізації четвертинної структури беруть участь самі типи взаємодій, що у стабілізації третинної.

Деякі дослідники визнають існування п'ятого рівня структурної організації білків. Це метаболони -поліфункціональні макромолекулярні комплекси різних ферментів, що каталізують весь шлях перетворень субстрату (синтетази вищих жирних кислот, піруватдегідрогеназний комплекс, дихальний ланцюг).

Хімічна структура білків представлена ​​альфа-амінокислотами, з'єднаними в ланцюжок за допомогою пептидного зв'язку. У живих організмах склад визначає генетичний код. У процесі синтезу найчастіше застосовується 20 амінокислот стандартного типу. Безліч їх комбінацій формуються білкові молекули з найрізноманітнішими властивостями. Амінокислотні залишки часто зазнають посттрансляційних модифікацій. Вони можуть виникнути і до того, як білок виконуватиме свої функції, і в процесі його активності в клітині. У живих організмах часто кілька молекул утворюють складні комплекси. Як приклад можна навести фотосинтетичне об'єднання.

Призначення з'єднань

Білки вважаються важливою складовою харчування людини та тварин у зв'язку з тим, що в їхніх організмах усі необхідні амінокислоти синтезуватися не можуть. Частина їх повинна надходити разом із білковою їжею. Основними джерелами сполук є м'ясо, горіхи, молоко, риба, зернові. У меншій мірі протеїни присутні в овочах, грибах та ягодах. При травленні за допомогою ферментів спожиті білки зазнають руйнування до амінокислот. Вони вже застосовуються в біосинтезі своїх протеїнів в організмі чи піддаються розпаду далі - отримання енергії.

Історична довідка

Послідовність структури білка інсуліну було визначено вперше Фредерієм Сенгером. За свою роботу він одержав Нобелівську премію 1958 року. Сенгер використав метод секвенування. За допомогою дифракції рентгенівського випромінювання згодом були отримані тривимірні структури міоглобіну та гемоглобіну (наприкінці 1950 р.). Роботи проводили Джон Кендрю та Макс Перуц.

Структура молекули білка

Вона включає лінійні полімери. Вони, у свою чергу, складаються із залишків альфа-амінокислот, які є мономерами. Крім того, структура білка може включати компоненти, що мають неамінокислотну природу, і залишки амінокислотні модифікованого типу. При позначенні компонентів застосовуються 1-або 3-літерні скорочення. З'єднання, до складу якого входить від двох до кількох десятків залишків, називається часто як "поліпептид". В результаті взаємодії альфа-карбоксильної групи однієї амінокислоти з альфа-аміногрупою іншою з'являються (у процесі формування структури білка) зв'язку. У поєднанні виділяють С-і N-кінці, залежно від того, яка група амінокислотного залишку є вільною: -СООН або-NH2. У процесі синтезу білка на рибосомі як перший кінцевий виступає, як правило, залишок метіоніну; приєднання наступних здійснюється до С-кінця попередніх.

Рівні організації

Вони запропонували Ліндрем-Лангом. Незважаючи на те, що цей поділ вважається дещо застарілим, ним все ще користуються. Було запропоновано виділяти чотири рівні організації з'єднань. Первинна структура молекули білка визначається генетичним кодом та особливостями гена. Для більш високих рівнівхарактерно формування під час згортання протеїну. Просторова структура білка визначається загалом амінокислотним ланцюгом. Проте вона досить лабільна. На неї можуть впливати зовнішні чинники. У зв'язку з цим коректніше говорити про конформацію з'єднання, найбільш вигідною і кращою енергетично.

1 рівень

Він представлений послідовністю амінокислотних залишків поліпептидного ланцюга. Як правило, його описують з використанням одно-або трилітерних позначень. Первинна структура білків відрізняється стійкими поєднаннями амінокислотних залишків. Вони виконують певні завдання. Такі "консервативні мотиви" залишаються збереженими під час видової еволюції. За ними досить часто можна прогнозувати завдання невідомого протеїну. Оцінюючи ступінь подібності (гомології) в амінокислотних ланцюгах від різних організмів, можна визначати еволюційну відстань між таксонами, які складають ці організми. Первинна структура білків визначається шляхом секвенування чи з початковому комплексу його мРНК з допомогою таблиці генетичного коду.

Локальне впорядкування ділянки ланцюга

Це наступний рівень організації – вторинна структура білків. Існує кілька її типів. Локальне впорядкування ділянки ланцюга поліпептиду стабілізується водневими зв'язками. Найбільш популярними типами вважаються:

Просторова будова

Третинна структура білків включає елементи попереднього рівня. Вони стабілізуються різними типамивзаємодій. Найважливіше значення при цьому мають гідрофобні зв'язки. У стабілізації беруть участь:

• Ковалентні взаємодії.
• Іонні зв'язки, що формуються між бічними амінокислотними групами, що мають протилежні заряди.
• Водневі взаємодії.
• Гідрофобні зв'язки. У процесі взаємодії з навколишніми елементами Н 2 Про відбувається згортання протеїну так, щоб бічні неполярні амінокислотні групи виявлялися ізольованими від водного розчину. Гідрофільні групи (полярні) виявляються лежить на поверхні молекули.

Третинна структура білків визначається методами магнітного (ядерного) резонансу, деякими видами мікроскопії та іншими способами.

Принцип укладання

Дослідження показали, що між 2 та 3 рівнями зручно виділити ще один. Його називають "архітектурою", "мотивом укладання". Він визначається взаєморозташуванням компонентів вторинної структури (бета-тяжів та альфа-спіралей) у межах компактної глобули - білкового домену. Він може бути самостійно або бути включеним до складу більшого протеїну разом з іншими аналогічними. Встановлено, що мотиви укладання є досить консервативними. Вони зустрічаються в протеїнах, які не мають ні еволюційних, ні функціональних зв'язків. Визначення архітектури є основою раціональної (фізичної) класифікації.

Доменна організація

При взаємне розташуваннякількох ланцюгів поліпептидів у складі одного протеїнового комплексу формується четвертинна структура білків. Елементи, що входять до її складу, утворюються окремо на рибосомах. Тільки після завершення синтезу починає утворюватися ця структура білка. Вона може містити як різні, так і ідентичні поліпептидні ланцюги. Четвертична структура білків стабілізується за рахунок тих самих взаємодій, що й на попередньому рівні. Деякі комплекси можуть включати кілька десятків протеїнів.

Структура білка: захисні завдання

Поліпептиди цитоскелета, виступаючи до певної міри як арматуру, надають багатьом органоїдам форму, беруть участь у її зміні. Структурні протеїни забезпечують захист організму. Наприклад, таким білком є ​​колаген. Він формує основу у міжклітинній речовині сполучних тканин. Також захисною функцією має кератин. Він становить основу рогів, пір'я, волосся та інших похідних епідермісу. При зв'язуванні білками токсинів у часто відбувається детоксикація останніх. Так виконується завдання з хімічний захисторганізму. Особливо важливу роль у процесі знешкодження токсинів у людському організміграють печінкові ферменти. Вони здатні розщеплювати отрути або переводити їх у розчинну форму. Це сприяє більш швидкому транспортуванню їх із організму. Білки, присутні в крові та інших біологічних рідинах, забезпечують імунний захист, викликаючи реакцію як на атаку патогенів, так і на ушкодження. Імуноглобуліни (антитіла та компоненти системи комплементу) здатні нейтралізувати бактерії, чужорідні протеїни та віруси.

Механізм регуляції

Білкові молекули, які не виступають ні як джерело енергії, ні як будівельний матеріал, контролюють багато внутрішньоклітинних процесів. Так, за рахунок них здійснюється регулювання трансляції, транскрипції, слайсингу, діяльність інших поліпептидів. Механізм регуляції ґрунтується на ферментативної активностіабо проявляється завдяки специфічному зв'язуванню з іншими молекулами. Наприклад, фактори транскрипції, поліпептиди-активатори та протеїни-репресори здатні контролювати інтенсивність генної транскрипції. При цьому вони взаємодіють із регуляторними послідовностями генів. Найважливіша рольу контролі над перебігом внутрішньоклітинних процесів відводиться протеінфосфатазам та протеїнкіназам. Ці ферменти запускають або пригнічують активність інших білків за допомогою приєднання чи відщеплення від них фосфатних груп.

Сигнальне завдання

Її часто поєднують із регуляторною функцією. Це з тим, що багато внутрішньоклітинні, як і позаклітинні, поліпептиди можуть передавати сигнали. Таку здатність мають фактори росту, цитокіни, гормони та інші сполуки. Стероїди транспортуються по крові. Взаємодія гормону з рецептором виступає як сигнал, за рахунок якого запускається реакція у відповідь клітини. Стероїди контролюють вміст сполук у крові та клітинах, розмноження, ріст та інші процеси. Як приклад можна навести інсулін. Він регулює рівень глюкози. Взаємодія клітин здійснюється за допомогою сигнальних білкових сполук, що передаються міжклітинною речовиною.

Транспорт елементів

Розчинні протеїни, що беруть участь у переміщенні малих молекул, мають високу спорідненість до субстрату, що є у підвищеній концентрації. Вони мають також здатність до легкого його вивільнення в областях з низьким його змістом. Як приклад можна навести транспортний білок гемоглобін. Він переміщає з легких кисень до інших тканин, а від них переносить вуглекислий газ. У транспортуванні малих молекул через стінки клітини, змінюючи їх, беруть участь і деякі мембранні білки. Ліпідний шар цитоплазми має водонепроникність. Завдяки цьому запобігає дифузії заряджених або полярних молекул. Мембранні транспортні з'єднання прийнято розділяти на переносники та канали.

Резервні з'єднання

Ці білки формують звані запаси. Вони накопичуються, наприклад, у насінні рослин, тваринних яйцеклітинах. Такі білки виступають як резервне джерело речовини та енергії. Деякі сполуки використовують організм як амінокислотний резервуар. Вони, у свою чергу, є попередниками активних речовинберуть участь у регулюванні метаболізму.

Клітинні рецептори

Такі білки можуть розташовуватися безпосередньо в цитоплазмі, так і вбудовуватися в стінку. Однією своєю частиною з'єднання приймає сигнал. Як нього, як правило, виступає хімічна речовина, а в ряді випадків - механічна дія (розтягування, наприклад), світло та інші стимули. У процесі впливу сигналу на певний фрагмент молекули – поліпептид-рецептор – починаються її конформаційні зміни. Вони провокують зміну конформації решти, що виконує передачу стимулу інші компоненти клітини. Надсилання сигналу може здійснюватися різними способами. Одні рецептори здатні каталізувати хімічну реакцію, другі - виступають як іонні канали, що закриваються або відкриваються під впливом стимулу. Деякі сполуки специфічно пов'язують молекули-посередники усередині клітини.

Моторні поліпептиди

Існує цілий клас білків, які забезпечують рух організму. Моторні білки беруть участь у скороченні м'язів, переміщенні клітин, активності джгутиків та вій. За рахунок них також виконується спрямований та активний транспорт. Кінезини та дінеїни здійснюють перенесення молекул по ходу мікротрубочок з використанням як енергетичне джерело гідролізу АТФ. Другі переміщують органоїди та інші елементи до центросоми з периферичних клітинних ділянок. Кінезини рухаються в зворотному напрямку. Дінеїни, крім того, відповідають за активність джгутиків та вій.