Лінійні поліпептидні ланцюги індивідуальних білків рахунок взаємодії функціональних груп амінокислот набувають певну просторову тривимірну структуру, звану " конформація " . Усі молекули індивідуальних білків (тобто мають однакову первинну структуру) утворюють у розчині однакову конформацію. Отже, вся інформація, необхідна на формування просторових структур, перебуває у первинної структурі білків.
У білках розрізняють 2 основних типи конформації поліпептидних ланцюгів: вторинну та третинну структури.
2. Вторинна структурабілків -просторова структура, що утворюється внаслідок взаємодії між функціональними групами пептидного остова.
При цьому пептидні ланцюги можуть набувати регулярних структур двох типів: α-спіралі
β-структрураПід β-структурою розуміють фігуру, подібну до листа, складеного «гармошкою». Фігура формується за рахунок утворення безлічі водневих зв'язків між атомами пептидних груп лінійних областей одного поліпептидного ланцюга, що робить вигини, або між різними поліпептидними групами.
Зв'язки - водневі,вони стабілізують окремі фрагменти макромолекул.
3. Третинна структура білків -тривимірна просторова структура, що утворюється рахунок взаємодій між радикалами амінокислот, які можуть розташовуватися на значній відстані один від одного в поліпептидному ланцюгу.
Структурно складається з елементів вторинної структури, стабілізованих різними типамивзаємодій, у яких гідрофобні взаємодії відіграють найважливішу роль
стабілізації третинної структури білка беруть участь:
· ковалентні зв'язки(між двома залишками цистеїну - дисульфідні містки);
· Іонні зв'язки між протилежно зарядженими бічними групами амінокислотних залишків;
· Водневі зв'язки;
· Гідрофільно-гідрофобні взаємодії. При взаємодії з навколишніми молекулами води білкова молекула «прагне» звернутися те щоб неполярні бічні групи амінокислот виявилися ізольовані від водного розчину; на поверхні молекули виявляються полярні гідрофільні бічні групи.
4. Четвертичною структурою називають взаємне розташуваннякількох поліпептидних ланцюгів у складі єдиного білкового комплексу. Білкові молекули, що входять до складу білка з четвертинною структурою, утворюються на рибосомах окремо і лише після закінчення синтезу утворюють загальну надмолекулярну структуру До складу білка з четвертинною структурою можуть входити як ідентичні, так і поліпептидні ланцюжки, що розрізняються. У стабілізації четвертинної структури беруть участь ті ж типи взаємодій, що й у стабілізації третинної. Надмолекулярні білкові комплекси можуть складатися з десятків молекул.
Роль.
Утворення пептидів в організмі відбувається протягом декількох хвилин, хімічний синтез в умовах лабораторії - досить тривалий процес, який може займати кілька днів, а розробка технології синтезу - кілька років. Однак, незважаючи на це, є досить вагомі аргументи на користь проведення робіт із синтезу аналогів природних пептидів. По-перше, шляхом хімічної модифікації пептидів можна підтвердити гіпотезу первинної структури. Амінокислотні послідовності деяких гормонів стали відомі саме завдяки синтезу їх аналогів у лабораторії.
По-друге, синтетичні пептиди дозволяють детальніше вивчити зв'язок між структурою амінокислотної послідовності та її активністю. Для з'ясування зв'язку між конкретною структурою пептиду та його біологічною активністю було проведено величезну роботу із синтезу не однієї тисячі аналогів. В результаті вдалося з'ясувати, що заміна лише однієї амінокислоти у структурі пептиду здатна у кілька разів збільшити його біологічну активність або змінити її спрямованість. А зміна довжини амінокислотної послідовності допомагає визначити розташування активних центрів пептиду та ділянки рецепторної взаємодії.
По-третє, завдяки модифікації вихідної амінокислотної послідовності з'явилася можливість отримувати фармакологічні препарати. Створення аналогів природних пептидів дозволяє виявити «ефективніші» зміни молекул, які посилюють біологічну дію або роблять її більш тривалою.
По-четверте, хімічний синтез пептидів є економічно вигідним. Більшість терапевтичних препаратів коштували б у десятки разів більше, якби були виготовлені на основі природного продукту.
Найчастіше активні пептиди у природі виявляються лише у нанограмових кількостях. Плюс до цього, методи очищення та виділення пептидів з природних джерел не можуть повністю розділити шукану амінокислотну послідовність з пептидами протилежної або іншої дії. А у разі специфічних пептидів, що синтезуються організмом людини, отримати їх можна лише шляхом синтезу в лабораторних умовах.
57. Класифікація білків: прості та складні, глобулярні та фібрилярні, мономерні та олігомерні. Функції білків в організмі.
Класифікація за типом будівлі
за загального типубудови білки можна розбити на три групи:
1. Фібрилярні білки - утворюють полімери, їх структура зазвичай високорегулярна і підтримується в основному взаємодіями між різними ланцюгами. Вони утворюють мікрофіламенти, мікротрубочки, фібрили, підтримують структуру клітин та тканин. До фібрилярних білків відносяться кератин та колаген.
2. Глобулярні білки - водорозчинні, загальна форма молекули більш-менш сферична.
3. Мембранні білки - мають домени, що перетинають клітинну мембрану, але частини їх виступають з мембрани в міжклітинне оточення і цитоплазму клітини. Мембранні білки виконують функцію рецепторів, тобто передачу сигналів, а також забезпечують трансмембранний транспорт різних речовин. Білки-транспортери специфічні, кожен їх пропускає через мембрану лише певні молекули чи певний тип сигналу.
Прості білки , Складні білки
Крім пептидних ланцюгів, до складу багатьох білків входять і неамінокислотні групи, і за цим критерієм білки поділяють на дві великі групи. прості та складні білки(Протеїди). Прості білки складаються тільки з поліпептидних ланцюгів, складні білки містять також неамінокислотні або простетичні групи.
Прості.
Серед глобулярних білків можна назвати:
1. альбуміни - розчинні у воді в широкому інтервалі рН (від 4 до 8,5), осаджуються 70-100%-ним розчином сульфату амонію;
2. поліфункціональні глобуліни з більшою молекулярною масою, складніше розчиняються у воді, розчинні в сольових розчинах, часто містять вуглеводну частину;
3. гістони – низькомолекулярні білки з високим вмістом у молекулі залишків аргініну та лізину, що обумовлює їх основні властивості;
4. протаміни відрізняються ще більш високим вмістом аргініну (до 85 %), як і гістони, утворюють стійкі асоціати з нуклеїновими кислотами, виступають як регуляторні та репресорні білки - складова частина нуклеопротеїнів;
5. проламіни характеризуються високим вмістом глутамінової кислоти (30-45 %) та проліну (до 15 %), нерозчинні у воді, розчиняються у 50-90 % етанолі;
6. Глутелини містять близько 45% глутамінової кислоти, як і проламіни, частіше містяться в білках злаків.
Фібрилярні білки характеризуються волокнистою структурою, практично нерозчинні у воді та сольових розчинах. Поліпептидні ланцюги в молекулах розташовані паралельно одна до одної. Беруть участь у освіті структурних елементів сполучної тканини (колагени, кератини, еластини).
Сложні білки
(протеїди, холопротеїни) – двокомпонентні білки, в яких крім пептидних ланцюгів (простого білка) міститься компонент неамінокислотної природи – простетична група. При гідролізі складних білків, крім амінокислот, звільняється небілкова частина чи продукти її розпаду.
Як простетична група можуть виступати різні органічні (ліпіди, вуглеводи) і неорганічні (метали) речовини.
Залежно від хімічної природипростетичних груп серед складних білків виділяють такі класи:
· Глікопротеїди, що містять як простетичну групу ковалентно пов'язані вуглеводні залишки та їх підклас - протеоглікани, з мукополісахаридними простетичними групами. В утворенні зв'язку з вуглеводними залишками зазвичай беруть участь гідроксильні групи серину або треоніну. Більшість позаклітинних білків, зокрема, імуноглобуліни - глікопротеїди. У протеогліканах вуглеводна частина становить ~95%, є основним компонентом міжклітинного матриксу.
· Ліпопротеїди, що містять як простетичну частину нековалентно пов'язані ліпіди. Ліпопротеїди, утворені білками-аполіпопротеїнами, що зв'язуються з ними ліпідами і виконують функцію транспорту ліпідів.
· Металопротеїди, що містять негемові координаційно пов'язані іони металів. Серед металопротеїдів є білки, що виконують депонуючі та транспортні функції (наприклад, залізовмісні феритин і трансферин) та ферменти (наприклад, цинксодержащая карбоангідраза та різні супероксиддисмутази, що містять як активні центри іони міді, марганцю, заліза та інших металів)
· Нуклеопротеїди, що містять нековалентно пов'язані ДНК або РНК, зокрема, хроматин, з якого складаються хромосоми, є нуклеопротеїдом.
· Фосфопротеїди, що містять як простетичну групу ковалентно пов'язані залишки фосфорної кислоти. В утворенні складноефірного зв'язку з фосфатом беруть участь гідроксильні групи серину або треоніну, фосфопротеїни є, зокрема, казеїн молока :
· Хромопротеїди – збірна назва складних білків із забарвленими простетичними групами різної хімічної природи. До них відноситься безліч білків з металовмісною порфіринової простетичної групою, що виконують різноманітні функції - гемопротеїни (білки, що містять як простетичну групу гем - гемоглобін, цитохроми та ін), хлорофіли; флавопротеїди з флавіновою групою, та ін.
1. Структурна функція
2. Захисна функція
3. Регуляторна функція
4. Сигнальна функція
5. Транспортна функція
6. Запасна (резервна) функція
7. Рецепторна функція
8. Моторна (рухова) функція
Виділяють чотири рівні структурної організації білків: первинний, вторинний, третинний та четвертинний. Кожен рівень має свої особливості.
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. [показати] .
Якщо в утворенні пептидного зв'язку бере участь іміногрупа проліну або гідроксипроліну, вона має інший вигляд [показати] .
При утворенні пептидних зв'язків у клітинах спочатку активується карбоксильна група однієї амінокислоти, потім вона з'єднується з аміногрупою інший. Приблизно також проводять лабораторний синтез поліпептидів.
Пептидна зв'язок є фрагментом поліпептидного ланцюга, що повторюється. Вона має ряд особливостей, які впливають не тільки на форму первинної структури, але 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 енольної 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 пептидними.
Виняток становлять пептидні групи за участю аміногрупи проліну або гідроксипроліну. Вони здатні утворювати лише один водневий зв'язок (див. вище). Це впливає на формуванні вторинної структури білка. Поліпептидний ланцюг на ділянці, де знаходиться пролін або гідроксипролін, легко згинається, тому що не утримується, як звичайно, другим водневим зв'язком.
Номенклатура пептидів та поліпептидів . Назва пептидів складається з назв амінокислот, що входять до них. Дві амінокислоти дають дипептид, три - трипептид, чотири - тетрапептид і т. д. Кожен пептид або поліпептидний ланцюг будь-якої довжини має N-кінцеву амінокислоту, що містить вільну аміногрупу, і С-кінцеву амінокислоту, що містить вільну карбоксильну групу. Називаючи поліпептиди, послідовно перераховують всі амінокислоти, починаючи з N-кінцевої, замінюючи в їх назвах, крім С-кінцевої, суфікс -ін на -іл (оскільки амінокислоти в пептидах мають вже не карбоксильну групу, а карбонільну). Наприклад, назва зображеного на рис. 1 трипептиду - лейц мулфенілалан мултреон ін.
Особливості первинної структури білка . В остові 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 укладання її у просторі.
Вторинна структура є способом укладання поліпептидного ланцюга в упорядковану структуру завдяки утворенню водневих зв'язків між пептидними групами одного ланцюга або суміжними поліпептидними ланцюгами. За конфігурацією вторинні структури діляться на спіральні (α-спіраль) і шарувато-складчасті (β-структура та крос-β-форма).
α-Спіраль. Це різновид вторинної структури білка, що має вигляд регулярної спіралі, що утворюється завдяки міжпептидним водневим зв'язкам у межах одного поліпептидного ланцюга. Модель будови α-спіралі (рис. 2), що враховує всі властивості пептидного зв'язку, була запропонована Полінгом та Корі. Основні особливості α-спіралі:
- спіральна конфігурація поліпептидного ланцюга, що має гвинтову симетрію;
- утворення водневих зв'язків між пептидними групами кожного першого та четвертого амінокислотних залишків;
- регулярність витків спіралі;
- рівнозначність усіх амінокислотних залишків у α-спіралі незалежно від будови їх бічних радикалів;
- бічні радикали амінокислот не беруть участь в утворенні α-спіралі.
Зовні α-спіраль схожа на трохи розтягнуту спіраль електричної плитки. Регулярність водневих зв'язків між першою та четвертою пептидними групами визначає і регулярність витків поліпептидного ланцюга. Висота одного витка або крок α-спіралі дорівнює 0,54 нм; до нього входить 3,6 амінокислотних залишків, тобто кожен амінокислотний залишок переміщається вздовж 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 у α-спіралі. Період регулярності -спіралі дорівнює 5 виткам або 18 амінокислотним залишкам; Довжина одного періоду становить 2,7 нм. Рис. 3. Модель а-спіралі Полінга-Корі
β-Структура. Це різновид вторинної структури, яка має слабо вигнуту конфігурацію поліпептидного ланцюга і формується за допомогою міжпептидних водневих зв'язків у межах окремих ділянок одного поліпептидного ланцюга або суміжних поліпептидних ланцюгів. Її називають також шарувато-складчастою структурою. Є різновиди β-структур. Обмежені шаруваті ділянки, що утворюються одним поліпептидним ланцюгом білка, називають крос-β-формою (коротка β-структура). Водневі зв'язки у крос-β-формі утворюються між пептидними групами петель поліпептидного ланцюга. Інший тип - повна β-структура - характерний для всього поліпептидного ланцюга, який має витягнуту форму і утримується міжпептидними водневими зв'язками між суміжними паралельними поліпептидними ланцюгами (рис. 3). Ця структура нагадує хутра акордеону. Причому можливі варіанти β-структур: вони можуть бути утворені паралельними ланцюгами (N-кінці поліпептидних ланцюгів спрямовані в ту саму сторону) та антипаралельними (N-кінці спрямовані в різні боки). Бічні радикали одного шару розміщуються між бічними радикалами іншого шару.
У білках можливі переходи від α-структур до β-структур та назад внаслідок перебудови водневих зв'язків. Замість регулярних міжпептидних водневих зв'язків уздовж ланцюга (завдяки їм поліпептидний ланцюг скручується в спіраль) відбувається розкручування спіралізованих ділянок та замикання водневих зв'язків між витягнутими фрагментами поліпептидних ланцюгів. Такий перехід виявлений у кератині – білку волосся. При миття волосся лужними миючими засобами легко руйнується спіральна структура β-кератину і він переходить в α-кератин (кучеряве волосся розпрямляється).
Руйнування регулярних вторинних структур білків (α-спіралі та β-структур) за аналогією з плавленням кристала називають "плавленням" поліпептидів. При цьому водневі зв'язки рвуться, і поліпептидні ланцюги набувають форми безладного клубка. Отже, стабільність вторинних структур визначається міжпептидними водневими зв'язками. Інші типи зв'язків майже не беруть у цьому участі, за винятком дисульфідних зв'язків уздовж поліпептидного ланцюга в місцях розташування залишків цистеїну. Короткі пептиди завдяки дисульфідним зв'язкам замикаються у цикли. У багатьох білках одночасно є α-спіральні ділянки та β-структури. Природних білків, що перебувають на 100% з α-спіралі, майже не буває (виняток становить параміозин - м'язовий білок, що на 96-100% є α-спіраль), тоді як у синтетичних поліпептидів 100%-на спіралізація.
Інші білки мають неоднаковий ступінь спіралізації. Висока частота α-спіральних структур спостерігається у параміозину, міоглобіну, гемоглобіну. Навпаки, у трипсину, рибонуклеази значна частина поліпептидного ланцюга укладається в шаруваті β-структури. Білки опорних тканин: кератин (білок волосся, шерсті), колаген (білок сухожилля, шкіри), фіброїн (білок натурального шовку) мають β-конфігурацію поліпептидних ланцюгів. Різна міра спіралізації поліпептидних ланцюгів білків говорить про те, що, очевидно, є сили, що частково порушують спіралізацію або "ламають" регулярне укладання поліпептидного ланцюга. Причиною цього є компактніше укладання поліпептидного ланцюга білка в певному обсязі, тобто в третинну структуру.
Третинна структура білка
Третиною структурою білка називається спосіб укладання поліпептидного ланцюга у просторі. За формою третинної структури білки поділяються переважно на глобулярні та фібрилярні. Глобулярні білки найчастіше мають еліпсоподібну форму, а фібрилярні (ниткоподібні) білки – витягнуту (форма палички, веретена).
Проте конфігурація третинної структури білків ще дає підстави думати, що фібрилярні білки мають лише β-структуру, а глобулярні α-спіральні. Є фібрилярні білки, що мають спіральну, а не слоисто-складчасту вторинну структуру. Наприклад, α-кератин та параміозин (білок замикального м'яза молюсків), тропоміозини (білки скелетних м'язів) відносяться до фібрилярних білків (мають паличкоподібну форму), а вторинна структура у них – α-спіраль; навпаки, у глобулярних білках може бути велика кількість β-структур.
Спіралізація лінійного поліпептидного ланцюга зменшує її розміри приблизно 4 рази; а укладання в третинну структуру робить її в десятки разів більш компактним, ніж вихідний ланцюг.
Зв'язки, що стабілізують третинну структуру білка . У стабілізації третинної структури відіграють роль зв'язку між бічними радикалами амінокислот. Ці зв'язки можна поділити на:
- сильні (ковалентні) [показати]
.
До ковалентних зв'язків відносяться дисульфідні зв'язки (-S-S-) між бічними радикалами цистеїнів, що знаходяться в різних ділянках поліпептидного ланцюга; ізопептидні, або псевдопептидні, - між аміногрупами бічних радикалів лізину, аргініну, а не α-аміногрупами, та СООН-групами бічних радикалів аспарагінової, глутамінової та амінолімонної кислот, а не α-карбоксильними групами амінокислот. Звідси і назва цього типу зв'язку - подібна до пептидної. Рідко зустрічається ефірний зв'язок, утворений СООН-групою дикарбонових амінокислот (аспарагінової, глутамінової) та ОН-групою гідроксиамінокислот (серину, треоніну).
- слабкі (полярні та ван-дер-ваальсові) [показати]
.
До полярним зв'язкамвідносяться водневі та іонні. Водневі зв'язки, як звичайно, виникають між групою -NН 2 - ВІН або -SН бічного радикала однієї амінокислоти і карбоксильною групою інший. Іонні, або електростатичні, зв'язки утворюються при контакті заряджених груп бічних радикалів -NН + 3 (лізину, аргініну, гістидину) та -СОО - (аспарагінової та глутамінової кислот).
Неполярні, або ван-дер-ваальсові, зв'язкиутворюються між вуглеводневими радикалами амінокислот. Гідрофобні радикали амінокислот аланіну, валіну, ізолейцину, метіоніну, фенілаланіну у водному середовищі взаємодіють один з одним. Слабкі ван-дер-ваальсові зв'язки сприяють формуванню гідрофобного ядра з неполярних радикалів усередині білкової глобули. Чим більше неполярних амінокислот, тим більшу роль у укладанні поліпептидного ланцюга грають ван-дер-ваальсові зв'язки.
Численні зв'язки між бічними радикалами амінокислот визначають просторову конфігурацію білкової молекули.
Особливості організації третинної структури білка . Конформація третинної структури поліпептидного ланцюга визначається властивостями бічних радикалів амінокислот, що входять до неї (які не надають помітного впливуна формування первинної та вторинної структур) та мікрооточенням, тобто середовищем. При укладанні поліпептидний ланцюг білка прагне набути енергетично вигідної форми, 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 гідрофобного ядра і оточені молекулами води. Поліпептидний ланцюг химерно згинається у тривимірному просторі. За її вигинах порушується вторинна спіральна конформація. "Ломається" ланцюг у слабких точках, де знаходяться пролін або гідроксипролін, оскільки ці амінокислоти більш рухливі в ланцюзі, утворюючи лише один водневий 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 у місці знаходження гліцину. Ряд амінокислот – аланін, лейцин, глутамат, гістидин – сприяють збереженню стійких спіральних структур у білку, а такі, як метіонін, валін, ізолейцин, аспарагінова кислота, сприяють утворенню β-структур. У молекулі білка з третинною конфігурацією зустрічаються ділянки у вигляді α-спіралей (спіралізовані), β-структур (шаруваті) та безладного клубка. Тільки правильне просторове укладання білка робить його активним; порушення її призводить до зміни властивостей білка та втрати біологічної активності.
Четвертична структура білка
Білки, що складаються з одного поліпептидного ланцюга, мають лише третинну структуру. До них відносяться міоглобін – білок м'язової тканини, що бере участь у зв'язуванні кисню, ряд ферментів (лізоцим, пепсин, трипсин тощо). Однак деякі білки побудовані з кількох поліпептидних ланцюгів, кожен з яких має третинну структуру. Для таких білків введено поняття четвертинної структури, яка є організацією декількох поліпептидних ланцюгів з третинною структурою в єдину функціональну молекулу білка. Такий білок із четвертинною структурою називається олігомером, а його поліпептидні ланцюги з третинною структурою – протомерами або субодиницями (рис. 4).
При четвертинному рівні організації білки зберігають основну конфігурацію третинної структури (глобулярну або фібрилярну). Наприклад, гемоглобін - білок, що має четвертинну структуру, складається з чотирьох субодиниць. Кожна із субодиниць – глобулярний білок і загалом гемоглобін теж має глобулярну конфігурацію. Білки волосся та шерсті - кератини, що відносяться по третинній структурі до фібрилярних білків, мають фібрилярну конформацію та четвертинну структуру.
Стабілізація четвертинної структури білків . Всі білки, у яких виявлено четвертинну структуру, виділені у вигляді індивідуальних макромолекул, що не розпадаються на субодиниці. Контакти між поверхнями субодиниць можливі лише за рахунок полярних груп амінокислотних залишків, оскільки при формуванні третинної структури кожного з поліпептидних ланцюгів бічні радикали неполярних амінокислот (що становлять більшу частину всіх протеїногенних амінокислот) заховані всередині субодиниці. Між їхніми полярними групами утворюються численні іонні (сольові), водневі, а деяких випадках і дисульфідні зв'язки, які міцно утримують субодиниці як організованого комплексу. Застосування речовин, що розривають водневі зв'язки, або речовин, що відновлюють дисульфідні містки, спричиняє дезагрегацію протомерів та руйнування четвертинної структури білка. У табл. 1 сумовані дані про зв'язки, що стабілізують різні рівні організації білкової молекули [показати] .
| Таблиця 1. Характеристика зв'язків, що у структурної організації білків | ||
| Рівень організації | Типи зв'язків (за міцністю) | Різновид зв'язку |
| Первинний (лінійний поліпептидний ланцюг) | Ковалентні (сильні) | Пептидна - між α-аміно- та α-карбоксильними групами амінокислот |
| Вторинна (α-спіраль, β-структури) | Слабкі | Водневі - між пептидними групами (кожною першою та четвертою) одного поліпептидного ланцюга або між пептидними групами суміжних поліпептидних ланцюгів |
| Ковалентні (сильні) | Дисульфідні - дисульфідні петлі в межах лінійної ділянки поліпептидного ланцюга | |
| Третинна (глобулярна, фібрилярна) | Ковалентні (сильні) | Дисульфідні, ізопептидні, 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-ваальсови - між неполярними бічними радикалами амінокислот поліпептидного ланцюга |
|
| Четвертична (глобулярна, фібрилярна) | Слабкі | Іонні - між протилежно зарядженими групами бічних радикалів амінокислот кожної із субодиниць Водневі - між бічними радикалами амінокислотних залишків, розташованими на поверхні ділянок субодиниць, що контактують. |
| Ковалентні (сильні) | Дисульфідні - між залишками цистеїну кожної з контактуючих поверхонь різних субодиниць. | |
Особливості структурної організації деяких фібрилярних білків
Структурна організація фібрилярних білків має низку особливостей у порівнянні з глобулярними білками. Ці особливості можна простежити на прикладі кератину, фіброїну та колагену. Кератини існують в α- та β-конформаціях. α-кератини та фіброїн мають шарувато-складчасту вторинну структуру, однак у кератині ланцюга паралельні, а у фіброїні антипаралельні (див. рис. 3); крім того, в кератині є міжланцюгові дисульфідні зв'язки, а у фіброїну вони відсутні. Розрив дисульфідних зв'язків призводить до роз'єднання поліпептидних ланцюгів у кератинах. Навпаки, утворення максимальної кількості дисульфідних зв'язків у кератинах шляхом впливу окислювачів створює міцну просторову структуру. Взагалі у фібрилярних білків на відміну глобулярних часом важко суворо розмежувати різні рівні організації. Якщо прийняти (як для глобулярного білка), що третинна структура повинна утворюватися шляхом укладання у просторі одного поліпептидного ланцюга, а четвертинна – кількох ланцюгів, то у фібрилярних білках вже при формуванні вторинної структури бере участь кілька поліпептидних ланцюгів. Типовим прикладом фібрилярного білка є колаген, який відноситься до найпоширеніших білків організму людини (близько 1/3 маси всіх білків). Він міститься в тканинах, що мають високу міцність і малу розтяжність (кістки, сухожилля, шкіра, зуби і т. д.). У колагені третина амінокислотних залишків припадає на гліцин, а близько чверті чи трохи більше – на пролін або гідроксипролін.
Ізольований поліпептидний ланцюг колагену (первинна структура) схожий на ламану лінію. Вона містить близько 1000 амінокислот і має молекулярну масу близько 105 (рис. 5, а, б). Поліпептидний ланцюг побудований з трійки амінокислот (триплет), що повторюється, наступного складу: глі-А-В, де А і В - будь-які, крім гліцину, амінокислоти (найчастіше пролін і гідроксипролін). Поліпептидні ланцюги колагену (або α-ланцюга) при формуванні вторинної та третинної структур (рис. 5, в і г) не можуть давати типових α-спіралей, що мають гвинтову симетрію. Цьому заважають пролін, гідроксипролін та гліцин (антиспіральні амінокислоти). Тому три α-ланцюга утворюють як би скручені спіралі подібно до трьох ниток, що обвивають циліндр. Три спіральні α-ланцюги формують структуру колагену, що повторюється, яка називається тропоколагеном (рис. 5, г). Тропоколаген за своєю організацією є третинною структурою колагену. Плоскі кільця проліну та оксипроліну, що регулярно чергуються вздовж ланцюга, надають йому жорсткості, як і міжланцюгові зв'язки між α-ланцюгами тропоколагену (тому колаген стійкий до розтягування). Тропоколаген є, по суті, субодиницею фібрил колагену. Укладання тропоколагенових субодиниць у четвертинну структуру колагену відбувається ступенеподібно (рис. 5, д).
Стабілізація структур колагену відбувається за рахунок міжланцюгових водневих, іонних та ван-дер-ваальсових зв'язків та невеликої кількості ковалентних зв'язків.
α-Ланцюги колагену мають різне хімічна будова. Розрізняють α 1 -ланцюги різних видів (I, II, III, IV) і α 2 -ланцюги. Залежно від того, які α 1 - і α 2 -ланцюги беруть участь в утворенні триланцюгової спіралі тропоколагену, розрізняють чотири типи колагену:
- перший тип - два α 1 (I) і один α 2 -ланцюга;
- другий тип - три α 1 (II)-ланцюга;
- третій тип - три α 1 (III)-ланцюга;
- четвертий тип - три α 1 (IV)-ланцюги.
Найбільш поширений колаген першого типу: він міститься в кістковій тканині, шкірі, сухожиллях; колаген другого типу міститься в хрящовій тканині і т. д. В одному вигляді тканини можуть бути різні типи колагену.
Упорядкована агрегація колагенових структур, їх жорсткість та інертність забезпечують високу міцність колагенових волокон. Колагенові білки містять також вуглеводні компоненти, тобто є білок-вуглеводними комплексами.
Колаген - позаклітинний білок, який утворюється клітинами сполучної тканини, що входить до всіх органів. Тому з пошкодженням колагену (або порушенням його утворення) виникають численні порушення опорних функцій сполучної тканини органів.
| Сторінка 3 | всього сторінок: 7 |
Вторинна структура – спосіб укладання поліпептидного ланцюга у впорядковану структуру. Вторинна структура визначається первинною структурою. Оскільки первинна структура генетично детермінована, формування вторинної структури може відбуватися при виході поліпептидного ланцюга рибосоми. Вторинна структура стабілізується водневими зв'язками, які утворюються між NH- та СО-групами пептидного зв'язку.
Розрізняють a-спіраль, b-структурута невпорядковану конформацію (клубок).
Структура α-спіралі була запропонована Paulingі Corey(1951). Це різновид вторинної структури білка, що має вигляд регулярної спіралі (рис. 2.2). α-Спіраль – це паличкоподібна структура, в якій пептидні зв'язки розташовані всередині спіралі, а бічні радикали амінокислот – зовні. a-Спіраль стабілізована водневими зв'язками, які паралельні осі спіралі та виникають між першим та п'ятим амінокислотними залишками. Таким чином, у протяжних спіральних ділянках кожен амінокислотний залишок бере участь у формуванні двох водневих зв'язків.
Рис. 2.2. Структура -спіралі.
На один виток спіралі припадає 3,6 амінокислотних залишків, крок спіралі 0,54 нм, на один амінокислотний залишок припадає 0,15 нм. Кут підйому спіралі 26 °. Період регулярності a-спіралі дорівнює 5 виткам або 18 амінокислотним залишкам. Найпоширеніші праві a-спіралі, тобто. закручування спіралі йде за годинниковою стрілкою. Утворенню a-спіралі перешкоджає пролін, амінокислоти із зарядженим та об'ємними радикалами (електростатичну та механічну перешкоду).
Інша форма спіралі присутня в колагені . В організмі ссавців колаген – переважний у кількісному відношенні білок: він становить 25% загального білка. Колаген присутній у різних формах, насамперед, у сполучній тканині. Це ліва спіраль з кроком 0,96 нм і 3,3 залишку в кожному витку, більш полога порівняно з α-спіраллю. На відміну від α-спіралі утворення водневих містків тут неможливе. Колаген має незвичайний амінокислотний склад: 1/3 становить гліцин, приблизно 10% пролін, а також гідроксипролін та гідроксилізин. Останні дві амінокислоти утворюються після біосинтезу колагену шляхом посттрансляційної модифікації. У структурі колагену постійно повторюється триплет гли-X-Y, причому положення Х часто займає пролін, а Y – гідроксилізін. Є вагомі підстави тому, що колаген повсюдно присутній у вигляді правої потрійної спіралі, скрученої трьох первинних лівих спіралей. У потрійній спіралі кожен третій залишок виявляється у центрі, де зі стеричних причин міститься лише глицин. Уся молекула колаген має довжину близько 300 нм.
b-Структура(b-складчастий шар). Зустрічається у глобулярних білках, а також у деяких фібрилярних білках, наприклад, фіброїн шовку (рис. 2.3).
Рис. 2.3. b-Структура
Структура має плоску форму. Поліпептидні ланцюги майже повністю витягнуті, а не туго скручені, як у a-спіралі. Площини пептидних зв'язків розташовані в просторі подібно до рівномірних складок аркуша паперу. Стабілізується водневими зв'язками між СО- та NH-групами пептидних зв'язків сусідніх поліпептидних ланцюгів. Якщо поліпептидні ланцюги, що утворюють b-структуру, йдуть в одному напрямку (тобто збігаються С- і N-кінці) – паралельна b-структура; якщо у протилежному – антипаралельна b-структура. Бічні радикали одного шару розміщуються між бічними радикалами іншого шару. Якщо один поліпептидний ланцюг згинається і йде паралельно до себе, то це антипаралельна b-крос-структура. Водневі зв'язки у b-крос-структурі утворюються між пептидними групами петель поліпептидного ланцюга.
Зміст a-спіралей у білках, вивчених на цей час, вкрай варіабельний. У деяких білках, наприклад, міоглобіні та гемоглобіні, a-спіраль лежить в основі структури і становить 75%, у лізоцимі – 42%, у пепсині лише 30%. Інші білки, наприклад, травний фермент хімотрипсин, практично позбавлені a-спіральної структури і значна частина поліпептидного ланцюга укладається в шаруваті b-структури. Білки опорних тканин колаген (білок сухожилля, шкіри), фіброїн (білок натурального шовку) мають b-конфігурацію поліпептидних ланцюгів.
Доведено, що утворенню α-спіралі сприяють глу, ала, лей, а β-структури – мет, вал, мулі; у місцях вигину поліпептидного ланцюга – гли, про, асн. Вважають, що шість згрупованих залишків, чотири з яких сприяють утворенню спіралі, можна як центр спіралізації. Від цього центру йде зростання спіралей в обох напрямках до ділянки – тетрапептиду, що складається із залишків, що перешкоджають утворенню цих спіралей. При формуванні β-структури роль затравок виконують три амінокислотні залишки з п'яти, що сприяють утворенню β-структури.
У більшості структурних білківпереважає одна з вторинних структур, що визначається їх амінокислотним складом. Структурним білком, побудованим переважно як α-спіралі, є α-кератин. Волосся (шерсть), пір'я, голки, кігті та копита тварин складаються головним чином з кератину. Як компонент проміжних філаментів кератин (цитокератин) є найважливішим складовоюцитоскелета. У кератинах більшість пептидного ланцюга згорнута в праву α-спіраль. Два пептидні ланцюги утворюють єдину ліву суперспіраль.Суперспіралізовані димери кератину поєднуються в тетрамери, які агрегують з утворенням протофібрилдіаметром 3 нм. Нарешті, вісім протофібрил утворюють мікрофібрилидіаметром 10 нм.
Волосся побудоване з таких самих фібрил. Так, в окремому волокні вовни діаметром 20 мкм переплетені мільйони фібрил. Окремі ланцюги кератину скріплені поперечно численними дисульфідними зв'язками, що надає їм додаткової міцності. При хімічній завивці відбуваються такі процеси: спочатку шляхом відновлення тіолами руйнуються дисульфідні містки, а потім для надання волоссю необхідної форми їх висушують при нагріванні. При цьому за рахунок окиснення киснем повітря утворюються нові дисульфідні містки, які зберігають форму зачіски.
Шовк отримують з коконів гусениць тутового шовкопряда ( Bombyx mori) та споріднених видів. Основний білок шовку, фіброїнмає структуру антипаралельного складчастого шару, причому самі шари розташовуються паралельно один одному, утворюючи численні пласти. Так як у складчастих структурах бічні ланцюги амінокислотних залишків орієнтовані вертикально вгору і вниз, у проміжках між окремими шарами можуть бути лише компактні угруповання. Фактично фіброїн складається на 80% із гліцину, аланіну та серину, тобто. трьох амінокислот, що характеризуються мінімальними розмірами бічних ланцюгів. Молекула фіброїну містить типовий фрагмент, що повторюється (глі-ала-глі-ала-глі-сер) n .
Невпорядкована конформація.Ділянки білкової молекули, які не належать до спіральних чи складчастих структур, називають невпорядкованими.
Надвторинна структура.Альфа-спіральні та бета-структурні ділянки в білках можуть взаємодіяти один з одним та між собою, утворюючи ансамблі. Надвторинні структури, що зустрічаються в нативних білках, - енергетично найбільш переважні. До них відносять суперспіралізовану α-спіраль, у якій дві α-спіралі скручені відносно один одного, утворюючи ліву суперспіраль (бактеріородопсин, гемеритрін); α-спіральні та β-структурні фрагменти поліпептидного ланцюга, що чергуються (наприклад, βαβαβ-ланка за Россманом, знайдено в НАД + -зв'язувальній ділянці молекул ферментів дегідрогеназ); Антипаралельна триланцюгова β-структура (βββ) називається β-зигзаг і виявлена в ряді ферментів мікроорганізмів, найпростіших та хребетних.
Конформація - це просторове розташування в органічній молекулі замінних груп, здатних вільно змінювати своє становище у просторі без розриву зв'язків, завдяки вільному обертанню навколо одинарних вуглецевих зв'язків.
Розрізняють 2 види вторинної структури білка:
- 1. б-спіраль
- 2. по-складчастість.
Вторинну структуру стабілізують водневі зв'язки. Водневі зв'язки виникають між атомом водню в NH групі та карбоксильним киснем.
Характеристика б-спіралі
б-спіраль стабілізується водневими зв'язками, що виникають між кожною першою та четвертою амінокислотою. Крок спіралі включає 3, 6 амінокислотних залишків.
Утворення б-спіралі відбувається за годинниковою стрілкою (правий хід спіралі), тому що природні білки складаються з L-амінокислот.
Для кожного білка характерний свій ступінь спіралізації поліпептидного ланцюга. Спіралізовані ділянки чергуються із лінійними. У молекулі гемоглобіну б і в-ланцюги спіралізовані на 75%, у лізоцимі – 42%, пепсині – 30%.
Ступінь спіралізації залежить від первинної структури білка.
б-спіраль утворюється спонтанно і є найбільш стійкою конформацією поліпептидного ланцюга, що відповідає мінімуму вільної енергії.
У освіті водневих зв'язків беруть участь усі пептидні групи. Це забезпечує максимальну стабільність спіралі.
Оскільки всі гідрофільні групи пептидного остова зазвичай беруть участь у освіті водневих зв'язків, то гидрофобность альфа спіралей увеличивается.
Радикали амінокислот знаходяться на зовнішній стороні альфа спіралей і спрямовані від пептидного кістяка в сторони. Вони не беруть участь в утворенні водневих зв'язків, характерні для вторинної структури, але деякі з них можуть порушувати формування альфа-спіралей:
Пролін. Його атом азоту входить до складу жорсткого кільця, що унеможливлює обертання навколо N-CH зв'язків. Крім того, атом азоту проліну, що утворює зв'язок з іншою амінокислотою немає водню. В результаті пролін не здатний організувати водневий зв'язок та структура альфа спіралей порушується. Зазвичай тут виникає петля чи вигин.
Ділянки, де послідовно розташовані кілька однаково заряджених радикалів, між якими виникають електростатичні сили відштовхування.
Ділянки з близько розташованими об'ємними радикалами, що механічно порушують формування альфа спіралей, наприклад метіонін, триптофан.
Спіралізації білкової молекули перешкоджає амінокислота пролін.
в-складчастість має слабко зігнуту конфігурацію поліпептидного ланцюга.
Якщо пов'язані поліпептидні ланцюги спрямовані протилежно, виникає антипаралельна структура, якщо ж N і С кінці поліпептидних ланцюгів збігаються, виникає структура паралельного складчастого шару.
Для складності характерні водневі зв'язки в межах одного поліпептидного ланцюга або складних поліпептидних ланцюгів.
У білках можливі переходи від б-спіралі до складчастості і назад внаслідок перебудови водневих зв'язків.
в-складчастість має плоску форму.
б-спіраль має стрижневу форму.
Водневі зв'язки – слабкі зв'язки, енергія зв'язку 10 – 20 ккал/моль, але велика кількість зв'язків забезпечує стабільність білкової молекули.
У молекулі білка є міцні (ковалентні) зв'язки, і навіть слабкі, що забезпечує з одного боку стабільність молекули, з другого лабільність.
