Склад і будова білків, 3нет.рф

30.09.2015

джерело знань
Склад і будова білків

Склад і будова білків

Пептидний зв’язок

Білки являють собою нерегулярні полімери, побудовані з залишків a-амінокислот, загальну формулу яких у водному розчині при значеннях pH близьких до нейтральних можна записати як NH3+CHRCOO–. Залишки амінокислот у білках з’єднані амідній зв’язком між a-аміно — та a-карбоксильними групами. Зв’язок між двома a-амінокислотними залишками зазвичай називається пептидного зв’язком, а полімери, побудовані з залишків a-амінокислот, сполучених пептидними зв’язками, називають поліпептидами. Білок як біологічно значуща структура може являти собою як один поліпептид, так і кілька поліпептидів, що утворюють у результаті нековалентних взаємодій єдиний комплекс.

Всі вхідні в пептидний зв’язок атоми розташовуються в одній площині (планарна конфігурація).

Відстань між атомами С і N (- СО-NH-зв’язку) одно 0,1325 нм, тобто менше нормального відстані між a-вуглецевим атомом і атомом N тієї ж ланцюга, виражається величиною 0,146 нм. Разом з тим воно перевищує відстань між атомами С і N, сполученими подвійним зв’язком (0,127 нм). Таким чином, зв’язок З і N в-СО-NH-угруповання може розглядатися як проміжна між простий і подвійний внаслідок сполучення-електронів карбонільної групи з вільними електронами атома азоту. Це певним чином позначається на властивостях поліпептидів і білків: за місцем пептидних зв’язків легко здійснюється таутомерная перегрупування, що приводить до утворення енольной форми пептидного зв’язку, що відрізняється підвищеною реакційною здатністю.

Елементний склад білків

Білки містять у середньому близько 1 6% азоту, 50-55% вуглецю, 21-23% кисню, 15-17% азоту, 6-7% водню, 0,3-2,5% сірки. У складі окремих білків виявлено також фосфор, йод, залізо, мідь і деякі інші макро — і мікроелементи, у різних, часто дуже малих кількостях.

Зміст основних хімічних елементів в білках може змінюватися, за винятком азоту, концентрація якого характеризується найбільшою постійністю.

Для вивчення амінокислотного складу білків використовується головним чином метод гідролізу, тобто нагрівання білка з 6-10 моль/ літр соляною кислотою при температурі 100-110 0С. отримують суміш a-амінокислот, з яких можна виділити індивідуальні амінокислоти. Для кількісного аналізу цієї суміші в даний час застосовують іонообмінну і паперову хроматографію. Сконструйовані спеціальні автоматичні аналізатори амінокислот.

Розроблені також ферментативні методи ступеневої розщеплення білка. Деякі ферменти розщеплюють макромолекулу білку специфічно – тільки у місцях знаходження певної амінокислоти. Так отримують продукти ступеневої розщеплення – пептони і пептиди, подальшим аналізом яких встановлюють їх амінокислотний залишок.

В результаті гідролізу різних білків виділено не більше 30 a-амінокислот. Двадцять з них зустрічаються частіше інших.

При утворенні молекули білка або поліпептиду a-амінокислоти можуть з’єднуватися в різній послідовності. Можливо величезна кількість різних комбінацій, наприклад з 20 a-амінокислот можна утворити більше 1018 комбінацій. Існування різного типу поліпептидів практично необмежена.

Послідовність з’єднання амінокислот в тому чи іншому білку встановлюють шляхом ступінчастого розщеплення або рентгеноструктурним аналізом.

Для ідентифікації білків і поліпептидів використовують специфічні реакції на білки. Наприклад.

а) ксантопротеїнову реакція ( поява жовтого забарвлення при взаємодії з концентрованою азотною кислотою, яка в присутності аміаку стає помаранчевим ; реакція пов’язана з нитрованием залишків фенілаланіну і тирозину);

б) біуретова реакція на пептидні зв’язки – дія розведеного сульфату міді (II) на слаболужною розчин білка супроводжується появою фіолетово-синього забарвлення розчину,що обумовлено комплексообразованием між міддю і поліпептидами.

в) реакція Міллона (освіта жовто-коричневого забарвлення при взаємодії з Hg(NO3)2 + HNO3 + HNO2;

Молекулярна маса

Білки є високомолекулярними з’єднаннями. Це полімери, що складаються з сотень і тисяч амінокислотних залишків – мономерів. Відповідно і молекулярна маса білків знаходиться в межах 10000-1000000. Так, у складі рибонуклеазы (ферменту, що розщеплює РНК) міститься 124 амінокислотних залишку та її молекулярна маса становить приблизно 14000. Міоглобін (білок м’язів), що складається з 153 амінокислотних залишків, має молекулярну масу 17000, а гемоглобін – 64500 (574 амінокислотних залишку). Молекулярні маси інших білків більш високі: g-глобулін (утворює антитіла) складається з 1250 амінокислот і має молекулярну масу близько 150000, а молекулярна маса білка вірусу грипу – 320 000 000.

Амінокислоти

В даний час в різних об’єктах живої природи виявлено до 200 різних амінокислот. В організмі людини їх, наприклад, близько 60. Однак до складу білків входять лише 20 амінокислот, званих іноді природними.

Амінокислоти – органічні кислоти, у яких атом водню a-вуглецевого атома заміщений на аміногрупу –NH2. Отже, по хімічній природі це a-амінокислоти з загальною формулою:

COOH

H–C*–NH2

З формули видно, що до складу всіх амінокислот входять наступні загальні угруповання: –C–, –NH2, –COOH. Бічні ж ланцюга (радикали –R) амінокислот розрізняються. Природа радикалів різноманітна: від атома водню до циклічних сполук. Саме радикали визначають структурні та функціональні особливості амінокислот.

Всі амінокислоти, крім найпростішої аминоуксусной кислоти – гліцину (NH3+CH2COO- ) мають хиральный атом – C*- і можуть існувати у вигляді двох енантіомерів (оптичних ізомерів): L-ізомер і D-ізомер.

До складу всіх вивчених в даний час білків входять лише амінокислоти L-ряду, у яких, якщо розглядати хиральный атом з боку атома H, групи NH3+, COO — і радикал-R розташовані за годинниковою стрілкою. Необхідність при побудові біологічно значимої полімерної молекули будувати її з певного енантіомер очевидна – з рацемической суміші двох енантіомерів вийшла б неймовірно складна суміш диастереоизомеров. Питання, чому життя на Землі заснована на білках, побудованих саме з L-, а не D-a-амінокислот, досі залишається інтригуючою загадкою. Слід зазначити, що D-амінокислоти досить широко поширені в живій природі і, більш того, входять до складу біологічно значущих олигопептидов.

Структура

При вивченні складу білків було встановлено, що всі вони збудовані за єдиним принципом і мають чотири рівні організації: первинну, вторинну, третинну, а окремі з них і четвертинну структури.

Первинна структура

Представляє собою лінійну ланцюг амінокислот (поліпептид), розташованих у певній послідовності з чітким генетично обумовлених порядком чергування і з’єднаних між собою пептидними зв’язками.

Пептидний зв’язок утворюється за рахунок a-карбоксильної групи однієї амінокислоти і a-аминной іншої групи

До теперішнього часу встановлені послідовності амінокислот для декількох тисяч різних білків. Запис структури білків у вигляді розгорнутих структурних формул громіздка і не наочна. Тому використовується скорочена форма запису – трехбуквенная або однобуквенная.

При запису амінокислотної послідовності в поліпептидних або олигопептидных ланцюгах з допомогою скороченою символіки передбачається, якщо це особливо не обумовлено, що a-аміногрупа знаходиться зліва, а a-карбоксильна група – праворуч. Відповідні ділянки поліпептидного ланцюга називають N-кінцем (амінні кінцем) і С-кінцем (карбоксильної кінцем), а амінокислотні залишки – відповідно N-кінцевим і С-кінцевим залишками.

Вторинна структура

Вторинної структурою називають конформацію, яку утворює полипептидная ланцюг. Для високомолекулярних білків характерна структура спіралі.

Вперше така структура на основі рентгеноструктурного аналізу була виявлена при вивченні головного білка волосся і вовни-a-кератину (Л. Полінг). Її назвали a-структурою або a-спіраль. Зазвичай у природних продуктах зустрічаються білки з будовою правої спіралі, хоча відома і структура лівої спіралі.

Спіральні структури білка.

Для поліпептидних ланцюгів відомо кілька різних типів спіралей. Якщо при спостереженні уздовж осі спіралі вона віддаляється від спостерігача за годинниковою стрілкою, то спіраль вважається правою (правозакрученной), а якщо видаляється проти годинникової стрілки – лівої (левозакрученной). Найбільш поширена права a-спіраль (запропонована Л. Полінгом і Р. Кору). Ідеальна a-спіраль має крок 0,54 нм і число однотипних атомів на один виток спіралі 3,6. будова спіралі стабілізується внутримолекулярными водневими зв’язками.

У природних білках існують лише правозакрученные a-спіральні конформації поліпептидних ланцюгів, що пов’язане з наявністю в білкових тілах амінокислот тільки L-ряду (за винятком особливих випадків).

При розтягуванні a-кератину утворюється речовина з іншими властивостями – b-кератин. При розтягуванні спіраль макромолекули білка перетворюється в іншу структуру, що нагадує лінійну. Окремі поліпептидні ланцюги тут пов’язані міжмолекулярними водневими зв’язками. Ця структура називається b-структурою ( структура складчастого листа, складчастого шару)

Складчасті структури білка.

Одним з поширених прикладів складчастої періодичної структури білка є так звані b-складки, які складаються з двох фрагментів, кожен з яких представлений поліпептидом.

b-складки також стабілізуються водневими зв’язками між атомом водню аминной групи одного фрагмента і атомом кисню карбоксильної групи іншого фрагмента. При цьому фрагменти можуть мати як паралельну, так і антипараллельную орієнтацію відносно один одного.

Для того щоб дві ділянки поліпептидного ланцюга розташовувалися в орієнтації, що сприяє утворенню b-складок, між ними повинен існувати ділянку, має структуру, різко відрізняється від періодичною.

Виникнення a — і b-структур в білковій молекулі є наслідком того, що амінокислоти і в складі поліпептидних ланцюгів зберігають властиву їм здатність до утворення водневих зв’язків. Таким чином, вкрай важлива властивість амінокислот – з’єднуватися один з одним водневими зв’язками в процесі утворення кристалічних препаратів – реалізується у вигляді a-спіральної конформації або b-структури в білковій молекулі. Отже, виникнення зазначених структур припустимо розглядати як процес кристалізації ділянок поліпептидного ланцюга в межах однієї і тієї ж білкової молекули.

Третинна структура

Відомості про чергування амінокислотних залишків у поліпептидного ланцюга (первинна структура) і наявність у білковій молекулі спирализованных, шаруватих і невпорядкованих її фрагментів (вторинна структура) ще не дають повного уявлення ні про обсяг, ні щодо форми, ні тим більше про взаємне розташування ділянок поліпептидного ланцюга по відношенню один до одного. Ці особливості будови білка з’ясовують при вивченні його третинної структури, під якою розуміють – загальне розташування у просторі складових молекул одного або декількох поліпептидних ланцюгів, сполучених ковалентными зв’язками. Тобто третинна конфігурація – реальна тривимірна конфігурація, яку приймає в просторі закручена спіраль, яка в свою чергу згорнута спіраллю. У такої структури у просторі є виступи і западини з зверненими назовні функціональними групами.

Повне уявлення про третинної структурі дають координати всіх атомів білка. Завдяки величезним успіхом рентгеноструктурного аналізу такі дані, за винятком координат атомів водню отримані для значної кількості білків. Це величезні масиви інформації, які зберігаються в спеціальних банках даних на машиночитаних носіях, і їх обробка немислиме без застосування швидкодіючих комп’ютерів. Отримані на комп’ютерах координати атомів дають повну інформацію про геометрію поліпептидного ланцюга, що дозволяє виявити спіральну структуру, b-складки або нерегулярні фрагменти.

Третинна структура формується в результаті нековалентних взаємодій (електростатичні, іонні, сили Ван-дер-Ваальса та ін) бічних радикалів, що обрамляють a-спіралі і b-складки, і неперіодичних фрагментів поліпептидного ланцюга. Серед зв’язків, утримують третинну структуру, слід відзначити:

а) дисульфідних місток (–S–S–) між двома залишками цистеїну;

б) сложноэфирный місток (між карбоксильної групою і гідроксильної групи);

в) сольовий місток (між карбоксильної групою та аміногрупою);

г) водневі зв’язки між групами-ЗІ – і-NH-;

Третинної структурою пояснюється специфічність білкової молекули, її біологічна активність.

Перші просторові моделі молекул білка міоглобіну і гемоглобіну – побудували в кінці 50-х роках XX ст. англійські біохіміки Джон Ко-удери Кендрю (народився в 1917 р.) і Макс Фердинанд Перуц (народився в 1914 р.). При цьому вони використовували дані експериментів з рентгенівськими променями. За дослідження в області будови білків Кендрю і Перуц в 1962 р. були удостоєні Нобелівської премії. А в кінці століття була визначена третинна структура вже декількох тисяч білків.

Четвертинна структура

У більшості білків просторова організація закінчується третинної структурою, але для деяких білків з молекулярною масою більше 50-100 тисяч, побудованих з декількох поліпептидних ланцюгів характерна четвертинна.

Сутність такої структури в об’єднанні кілька полімерних ланцюгів були в єдиний комплекс. Такий комплекс також розглядається як білок, що складається з кількох субодиниць. Білки, що складаються з декількох субодиниць, широко поширені в природі (гемоглобін, вірус тютюнової мозаїки, фосфорілаза, РНК-полімераза). Субодиниці прийнято позначати грецькими буквами (так у гемоглобіну є по дві a і b субодиниці). Наявність декількох субодиниць важливо у функціональному відношенні – воно збільшує ступінь насичення киснем.

Четвертинна структура (клубок білків)

Четвертинна структура стабілізується в основному силами слабких впливів:

а) воднева; б) гідрофобна; в) іонні; г) ковалентні (дисульфідні, пептидні).

Денатурація білків

Денатурація білка – руйнування сил (зв’язків), що стабілізують четвертинну, третинну та вторинну структури, що призводить до дезорієнтації конфігурації білкової молекули і супроводжуване зміною розчинності, в’язкості, хімічної активності, характеру розсіювання рентгенівських променів, зниженням або повною втратою біологічної функції.

Розрізняють фізичні (температура, тиск, механічний вплив, ультразвукове та іонізуюче випромінювання) та хімічні (важкі метали, кислоти, луги, органічні розчинники, алкалоїди) фактори, що викликають денатурацию.

Зворотним процесом є ренатурация, тобто відновлення фізико-хімічних і біологічних властивостей білка. Іноді для цього достатньо видалити денатурирующий об’єкт. Ренатурация неможлива якщо порушена первинна структура.

Короткий опис статті: будова білків

Джерело: Склад і будова білків — 3нет.рф

Також ви можете прочитати