Структура белковой молекулы

Первичная структура белка – линейная специфическая последовательность аминокислот, соединенных между собой пептидными связями. Пептиды и полипептиды состоят менее чем из 50 аминокислот, белки содержат более 50 аминокислот в пептидной цепи.

Пептидные связи (пептидные группы) образуются между a-аминогруппой одной аминокислоты и a-карбоксильной группой другой аминокислоты. При образовании пептидной связи выделяется молекула воды. Процесс образования пептидной связи является эндергоничным, т.е. требует затраты энергии.

Характеристика пептидной связи

1. Копланарность – все атомы, входящие в пептидную группу, находятся в одной плоскости (рис. 3.1.).

2. Атом водорода аминогруппы и атом кислорода карбонильной группы находятся в транс- положении.

3. Связь между атомом углерода карбонильной группы и атомом азота имеет частично двойной характер из-за p,p-сопряжения (сопряжение свободной пары электронов атома азота с p-электронами двойной связи С=О). Поэтому свободное вращение вокруг пептидной связи невозможно.

4. Пептидная связь является ковалентной и стабильной связью. Разрушение пептидной связи возможно только в присутствии катализаторов.

Роль первичной структуры

1. Последовательность аминокислот в первичной структуре белка определяет специфичность белка.

2. Первичная структура генетически детерминирована и воспроизводится в процессе транскрипции и трансляции.

3. Первичная структура белка является основой для формирования последующих структур белка за счет взаимодействия радикалов аминокислотных остатков полипептидной цепи.

4. Замена аминокислоты L-ряда на аминокислоту D-ряда может привести к полному исчезновению биологической активности пептида.

Принято чтение последовательности аминокислотных остатков в полипептидной цепи начинать с N-конца. В пентапептиде ала-гли-глу-фен-лей (АGЕFL) аланин является N-концевым остатком, а лейцин – С-концевым остатком аминокислот. При наименовании пептидов суффиксы – ин (аланин), - ан (триптофан) и – ат (глутамат) заменяются на – ил, за исключением последней аминокислоты.

Вторичная структура – регулярная организация полипептидной цепи в виде упорядоченной структуры, стабилизируемой водородными связями, которые образуются между NH- и СО-группами пептидных групп.

Вторичная структура определяется первичной структурой. Поскольку первичная структура генетически детерминирована, формирование вторичной структуры может происходить при выходе полипептидной цепи из рибосомы. Различают a-спираль, b-структуру и неупорядоченную конформацию (клубок).

a-Спираль. Структура α-спиралибыла предложенаЛ. Полингом и Р. Кори (1951). Это разновидность вторичной структуры белка, имеющая вид регулярной спирали (рис. 3.2). α-Спираль – это палочкообразная структура, в которой пептидные связи расположены внутри спирали, а боковые радикалы аминокислот – снаружи.

a-Спираль стабилизирована водородными связями, которые параллельны оси спирали и возникают между первым и пятым аминокислотными остатками. Таким образом, в протяженных спиральных участках каждый аминокислотный остаток принимает участие в формировании двух водородных связей.

На один виток спирали приходится 3,6 аминокислотных остатка, шаг спирали 0,54 нм, на один аминокислотный остаток приходится 0,15 нм. Угол подъема спирали 26°. Период регулярности a-спирали равен 5 виткам или 18 аминокислотным остаткам. Наиболее распространены правые a-спирали, т.е. закручивание спирали идет по часовой стрелке. Образованию a-спирали препятствует пролин, аминокислоты с заряженным и объемными радикалами (электростатическое и механическое препятствие).

Для решения задач: средняя молекулярная масса аминокислоты 110 Да, размер аминокислотного остатка в полипептидной цепи 0,15 нм

Другая форма спирали присутствует в коллагене. В организме млекопитающих коллаген – преобладающий в количественном отношении белок: он составляет 25% общего белка. Коллаген присутствует в различных формах, прежде всего, в соединительной ткани. Это левая спираль с шагом 0,96 нм и 3,3 остатка в каждом витке, более пологая по сравнению с α-спиралью. В отличие от α-спирали образование водородных мостиков здесь невозможно. Коллаген имеет необычный аминокислотный состав: 1/3 составляет глицин, примерно 10% пролин, а также гидроксипролин и гидроксилизин. Последние две аминокислоты образуются после биосинтеза коллагена путем посттрансляционной модификации. В структуре коллагена постоянно повторяется триплет гли-X-Y, причем положение Х часто занимает пролин, а Y – гидроксилизин. Имеются веские основания тому, что коллаген повсеместно присутствует в виде правой тройной спирали, скрученной из трех первичных левых спиралей. В тройной спирали каждый третий остаток оказывается в центре, где по стерическим причинам помещается только глицин. Вся молекула коллаген имеет длину около 300 нм.

b-структура (b-складчатый слой). Встречается в глобулярных белках, а также в некоторых фибриллярных белках, например, фиброин шелка. Структура имеет плоскую форму. Полипептидные цепи почти полностью вытянуты, а не туго скручены, как в a-спирали. Плоскости пептидных связей расположены в пространстве подобно равномерным складкам листа бумаги. Стабилизируется водородными связями между СО- и NH-группами пептидных групп соседних полипептидных цепей. Эти водородные связи перпендикулярны оси молекулы. Если полипептидные цепи, образующие b-структуру идут в одном направлении (т.е. совпадают С- и N-концы) – параллельная b-структура; если в противоположном – антипараллельная b-структура. Боковые радикалы одного слоя помещаются между боковыми радикалами другого слоя. Если одна полипептидная цепь изгибается и идет параллельно себе, то это антипараллельная b-кросс-структура. Водородные связи в b-кросс-структуре образуются между пептидными группами петель полипептидной цепи.

Доказано, что образованию α-спирали чаще всего способствуют глу, ала, лей, а β-структуры – вал, иле, фен; в местах изгиба полипептидной цепи – гли, про, асп. Следовательно, характер вторичной структуры зависит от аминокислотного состава сегмента первичной структуры.

Простые α-спиральные структуры обычно длиной не более 4,5 нм, но устойчивыми являются более длинные структуры – 100 нм и более (миозин и тропомиозин в мышцах, фибрин кровяного сгустка, кератин волос).

Третичная структура -способ укладки полипептидной цепи в трехмерном пространстве. Третичная структура стабилизируется связями между боковыми радикалами аминокислот. К ним относятся ковалентная (дисульфидная) и нековалентные (водородная, ионная связи и гидрофобное взаимодействие). По форме третичной структуры белки делятся на глобулярные и фибриллярные. Глобулярные белки имеют эллипсовидную форму, а фибриллярные – нитевидную, вытянутую форму (форма палочки, веретена). При образовании глобулярных белков гидрофобная часть полипептидной цепи располагается внутри структуры, а гидрофильная – снаружи.

Многие белки в третичной структуре имеют спирализованные, складчатые и неупорядоченные сегменты. При этом в функциональном и структурном отношениях важно взаимное расположение аминокислотных радикалов.

Домены – анатомически выделяемые участки третичной структуры белка, отвечающие за выполнение определенной функции белка.

Гидрофобные карманы – полости в третичной структуре, выстланные радикалами гидрофобных аминокислот и необходимы для погружения в молекулу белка гидрофобных лигандов.

Гидрофобные кластеры – участки поверхности белка, где сконцентрированы радикалы гидрофобных аминокислот и служат для взаимодействия с гидрофобными кластерами других молекул.

Каждый белок в нативном состоянии имеет уникальную трехмерную структуру (конформация белка), в которой белок выполняет функцию.

Белок приобретает нативную структуру для выполнения функции путем складывания полипептидной цепи.

Денатурация – разрушение третичной и частично вторичной структуры белка с сохранением первичной структуры, т.е. потеря нативной структуры. Денатурация отличается от гидролиза белка тем, что при гидролизе необратимо разрушается первичная структура путем разрыва пептидных связей.

1. В зависимости от степени денатурации потеря биологической активности может быть частичной или полной.

2. При денатурации изменяются физические свойства белка, например, снижается растворимость и белок выпадает в осадок, поскольку теряются основные факторы устойчивости – заряд и гидратная оболочка. Если после удаления денатурирующего агента восстанавливается нативная структура белковой молекулы, то это называется ренатурация (ренативация).

3. При денатурации первичная структура не изменяется, т.е. не происходит разрыва пептидных связей.

4. Денатурированные под действием соляной кислоты белки в желудочно-кишечном тракте более легко перевариваются под действием пищеварительных ферментов.