БУДОВУ БІЛКОВИХ МОЛЕКУЛ

03.10.2015

БУДОВУ БІЛКОВИХ МОЛЕКУЛ

Читайте також:

Будова, властивості та біологічні функції білків.

Білки — невід’ємні компоненти будь-якої живої клітини, які забезпечують і підтримують її життєдіяльність. Молекули білків являють собою біополімери, побудовані в основному з аміно-кислот. Крім амінокислот до складу білкових молекул можуть входити інші органічні та неорганічні компоненти. У білках міститься 50-55% вуглецю, 20-24% кисню, 7% водню, 0,5-3% сірки; до складу деяких білків можуть також входити фосфор і різні метали.

Величезна структурну різноманітність білків і широкий діапазон зміни їх фізико-хімічних властивостей дозволяють цим биополимерам виконувати різноманітні і життєво важливі функції в живому організмі. У кожній рослинній клітині одночасно функціонують кілька тисяч різних білків. Усі біохімічні реакції в клітині відбуваються з участю каталітичних білків — ферментів. Структурна основа біологічних мембран цитоплазми і внутріклітинних органоїдів також побудована з участю білків. Захисну функцію виконують білкові антитіла і стресові білки, що утворюються під впливом стресових факторів. Важливу роль виконують у рослинних клітинах регуляторні та транспортні білки, здатні оборотно змінювати свою конформацію і таким чином активно брати участь у підтримці життєдіяльності рослини як саморегульованої системи.

В насінні та інших органах рослин відкладаються запасні бел-ки, які в значній мірі визначають живильну, кормову і технологічну цінність рослинної продукції. Багато білків на-раторах накопичується в зерні зернобобових культур — 20-30%, сої та люпині — 30-40%, в насінні олійних культур — 15-30%. Вміст білків в іншої рослинної продукції становить, %: зернівки злакових рослин – 9-18; кукурудза і рис – 6-10; бульби картоплі – 1,5-2; коренеплоди – 1-1,5; овочі, плоди і ягоди – 0,5-2; цвітна капуста – 2-3; брюссельська капуста і часник –6-8; вегетативна маса мятликовых трав – 5-15, бобових трав – 15-25 (останні два показника дані в розрахунку на суху масу).

Перший білковий препарат був виділений з пшеничного борошна в 1728 році Я.Б. Беккарі і названий клейковиною. У 1809-10 р. р. з’явилися перші відомості про елементному складі, а в 1836 р. запропонована перша эмпири-чна формула білків. Надалі досить активно багатьма дослі-дователями проводилося вивчення продуктів розпаду білкових речовин і з’являлося все більше і більше відомостей про те, що основними про-дуктами гідролітичного розкладу білків є амінокислоти. До 1899 р. вже було відомо 13 амінокислот, більшість з яких були ідентифіковані як продукти гідролізу білків.

Основоположний внесок у розробку теорії будови білків внесли роботи Е. Фішера, який в 1901 р. припустив і потім експери-ментально обґрунтував положення про те, що білкові молекули побу-гени з амінокислот, залишки яких з’єднані пептидними зв’язками. Утворені таким шляхом полімери зазвичай називають поліпептидами, а вчення про побудову білкових молекул з амінокислот, сполучених пептидними зв’язками, — поліпептидного теорією будови білків .

В утворенні пептидного зв’язку беруть участь α-амінокислоти, які взаємодіють своїми амінними і карбоксильними групами, при цьому вивільняються молекули води. У диаминомонокарбоновых кислот пептидний зв’язок може утворити лише аміногрупа, що знаходиться в α-по-реченні, а у моноаминодикарбоновых кислот — карбоксильна група, що має в α-положення аміногрупу. Вуглеводневі радикали аміно-кислотних залишків, сполучених пептидними зв’язками, залишаються у вигляді бічних радикалів. Так, наприклад, аланіну, аспарагінової кислоти і лізину утворюється трипептид:

БУДОВУ БІЛКОВИХ МОЛЕКУЛ

Назва пептиду складається з назв утворюють його аміно-кислот, при цьому амінокислота, що має вільну карбоксильную групу, записується в кінці формулювання, а в інших амінокислот закінчення змінюють на «іл» і їх перераховують у назві пептиду в тому порядку, в якому вони знаходяться в структурній формулі отриманого з’єднання. У відповідності з цим вище представлений трипептид має назву — аланиласпарагиллизин.

Методом рентгеноструктурного аналізу показано, що атомні угрупування пептидного зв’язку розташовані в одній площині, утворюючи переважно транс -конфігурацію щодо зв’язку C-N, яка в значній мірі має характер подвійного зв’язку, і обертання навколо зв’язку з цим сильно обмежена.

БУДОВУ БІЛКОВИХ МОЛЕКУЛ

У цілому просторова побудова поліпептидного ланцюга можна представити як послідовність плоских структур, утворених еле-ментами пептидного зв’язку, які з’єднані через α-вуглецеві атоми амінокислотних радикалів. Оскільки у зв’язку α-вуглецевих атомів не є подвійними, навколо них можливо обертання розташованих у площині пептидного зв’язку угруповань.

Якщо поміняти порядок з’єднання амінокислот в пептиді, то ми отримаємо кілька ізомерів. Найчастіше до складу білкових полипепти-дов можуть входити 100-400 амінокислотних залишків, які, з’єднуючись пептидними связямми в певному порядку, можуть давати величезне число ізомерних молекул, здатних виконувати різноманітні біологи-економічні функції. У загальному вигляді будова поліпептиду можна виразити наступною формулою:

БУДОВУ БІЛКОВИХ МОЛЕКУЛ

У цій формулі амінокислотні залишки з’єднані зв’язками-СО-NH-, які і називають пептидними. а R1. R2. R3. Rn — радикали аміно-кислотних залишків, що містять різні угруповання атомів і обра-зующие бічні відгалуження в молекулі поліпептиду.

На протилежних кінцях поліпептидного ланцюга є свобод-ва аминная і вільна карбоксильна групи, за якими визначають спрямованість поліпептиду. Амінокислота на кінці поліпептидного ланцюга, що має вільну аміногрупу в α-положення, називається N-кінцевою амінокислотою, а амінокислота на протилежному кінці поліпептиду, що має вільну карбоксильную групу, не використану для утворення пептидного зв’язку, — C-кінцевою амінокислотою. Визначення N — і C-кінцевих амінокислот має важливе значення для з’ясування будови білкової молекули, так як дозволяє встановити в ній число поліпептидних ланцюгів.

Більшість відомих білків містять в молекулі більше однієї поліпептидного ланцюга і цим суттєво відрізняються від звичайних пептидів, які мають одну полипептидную ланцюг і більш низьку молекулярну масу. Однак чітку межу між пептидами і білками провести досить важко; і ті, і інші мають цілком певну просторову структуру і виконують свою біохімічну функ-цію.

З рослинних пептидів найбільш добре вивчений глютатіон, структура якого була з’ясована в 1945 р. Ф. Гопкинсом. Молекула глю-татиона включає залишки трьох амінокислот — глутамінової кислоти, цис-теїну і гліцину. Гліцин і цистеїн з’єднані пептидного зв’язком, а цистеїн і глутамінова кислота — псевдопептидной (або изопептидной) зв’язком, яка утворюється при взаємодії аміногрупи цистеїну з карбоксильної групою глутамінової кислоти, що не має в α –положе-нді аміногрупи і в складі білкових поліпептидів зазвичай знаходиться в складі бокового радикала.

│ │

COOH CH2 SH

глютатіон

Висока біологічна активність глутатіону обумовлена його спо-можністю брати участь у відновних реакціях, так як під дей-наслідком ферменту він може легко відщеплює водень від сульфгідрильної групи (-SH) і переходити у відновлену форму, утворюючи димери, пов’язані дисульфідними (-S-S-) зв’язками. Схематично освіта окислених димерів глютатіону можна представити наступним чином:

фермент

R-SH + HS-R 3/43/4® R-S-S-R + фермент — H2

Глютатіон міститься у всіх рослинних клітинах і впливає на активність багатьох ферментів, що каталізують перетворення білків.

Враховуючи високу біологічну активність багатьох пептидів, розробляються технології їх хімічного синтезу з метою отримання штучних гормонів, антибіотиків, різних медичних препа-ратов. Як показують досліди, шляхом хімічного синтезу можна підлозі-чать поліпептидні ланцюги, що містять до 100 амінокислотних залишків. Особливо значні успіхи досягнуті в результаті поєднання хімічної-тичного і ферментативного синтезів. Так, наприклад, з природних полі пептидів шляхом часткового гідролізу виділяють пептидні фрагменти потрібного складу, а потім їх з’єднують за допомогою хімічних реакцій або ферментативного синтезу, отримуючи таким чином біологічно активні пептидні препарати.

Після того, як була сформульована й експериментально підтвер-підтверджена полипептидная теорія будови білків, наступним етапом було визначення структурних формул білків, що показують послідовно-ність з’єднання амінокислотних залишків у білкових молекулах. Вперше це вдалося виконати Ф. Сенгеру в 1954 р. применившему нові підходи до хімічної ідентифікації кінцевих амінокислот у різних пептидів, які можуть бути отримані при частковому гідролізі поліпептидів досліджуваного білка.

Порівняння амінокислотних послідовностей перекриваю трудящих фрагментів поліпептидних ланцюгів гормону підшлункової залози — інсуліну дозволило йому з досить високою точністю визначити послідовність з’єднання амінокислотних залишків в молекулі цього білка. Як виявилося, молекула інсуліну складається з двох поліпептидних ланцюгів, в одній з яких міститься 30 амінокислотних залишків, в іншій — 21. Поліпептидні ланцюги в двох положеннях з’єднані дисуль-фидными зв’язками, які утворюються при взаємодії сульфгид-рильных груп (-SH) цистеиновых радикалів точно по такому ж хутра-низму, як у димерів глютатіону. Положення цих цистеиновых залишків у поліпептидних ланцюгах інсуліну показано на малюнку 5.

Слід враховувати, що нумерацію амінокислотних залишків в липептидах прийнято обчислювати в напрямку від N-кінцевої амінокислоти до С-кінцевої. У короткій ланцюга інсуліну утворюється ще одна дисульфидная зв’язок між залишками цистеїну в 6-му і 11-му положеннях. У довгому ланцюгу N-кінцева амінокислота — фенілаланін, С-кінцева амінокислота — аланін; в короткій ланцюга N-кінцева амінокислота – гліцин, З-кінцева — аспарагін. Таким чином, на прикладі інсуліну ми бачимо, що молекула білка може бути побудована не з одного поліпептиду і різні поліпептидні ланцюга в молекулі білка можуть з’єднуватися дисульфідними зв’язками за рахунок цистеиновых залишків.

Слідом за інсуліном були розшифровані амінокислотні послі-вательности різних пептидів і білків: окситоцину, вазопресину, РНК-полімерази, пепсину, трипсину, лізоциму, цитохромів, гемоглоби-на, папаїну та багатьох інших полиаминокислотных сполук. Вже до 1975 р. налічувалося 600 білків з відомими амінокислотними після-довательностями, до 1985 р. — понад 2500. В даний час робота по аналізу амінокислотних послідовностей білків майже повністю автоматизована і кількість таких білків вже значно перевищує 20 тисяч.

ПЕРВИННА СТРУКТУРА БІЛКІВ. Послідовність сполуками спо-ня амінокислот у поліпептидних ланцюгах білкової молекули прийнято називати первинною структурою білка. Вона визначається послідовник-ністю нуклеотидів конкретної ділянки ДНК, що кодує цей поліпептид і званого геном.

Заміна навіть однієї амінокислоти в структурі білка може істотно венно змінити його функцію. Тому поліпептиди можна розглядати як «відбитки» кодують їх генів та використовувати для розпізнавання генотипів, а також встановлення між ними генетичного споріднення. Так, наприклад, у короткій поліпептидного ланцюга інсуліну людини в положеннях 8, 9 і 10 послідовність амінокислот Thr-Ser-Ile, в інсуліні вівці — Ala-Gly-Val, в інсуліні корови — Ala-Ser-Val, в інсуліні собаки — Thr-Ser-Ile, тобто така ж амінокислотна послідовність, як і у людини, що свідчить про менший філогенетичному розходженні між цими організмами.

В інших дослідженнях, пов’язаних з вивченням аномальних форм гемоглобіну, встановлено, що у багатьох випадках заміна в одній з його поліпептидних ланцюгів хоча б однієї амінокислоти на іншу викликає порушення фізіологічної функції цього білка, що призводить до серйозних клінічних наслідків для організму людини.

ВТОРИННА СТРУКТУРА БІЛКІВ. Полипептидная ланцюг, вклю-чающая послідовність амінокислотних залишків, характерну для даного білка, формує цілком визначену просторову структуру, яку зазвичай називають конформацией білкової молекули.

Просторове ж будову кожної окремої ділянки поліпептид-ної ланцюга являє собою вторинну структуру білка.

Формування вторинної структури білкових молекул залежить від фізико-хімічних параметрів амінокислотних залишків і їх послідовно-ності у поліпептидного ланцюга. Як вже було зазначено, атомні груп-пировки пептидного зв’язку розташовуються в одній площині, а кожна така площинна структура з’єднується з сусідньої через α-вуглецеві атоми амінокислотних радикалів ковалентными зв’язками, навколо яких можливо обертання площинних структур пептидних зв’язків. Кут пово-роту по кожній з цих зв’язків для кожного амінокислотного залишку цілком певний, що залежить від будови амінокислотного радикала. Якщо на конкретній ділянці молекули поліпептиду групуються амінокислотні залишки з близькими кутами обертання за вказаними зв’язків, то і формується однотипна вторинна структура.

У стабілізації вторинної структури поліпептиду важливу роль відіграють водневі зв’язки, що виникають між угрупованнями пептидних

зв’язків за наступною схемою: ═N-H. O=C═

Одна з різновидів вторинної структури білка — α-спіраль, ко-торая була встановлена в 1951 р. Л. Полінгом і Р. Кору методом рент-геноструктурного аналізу. При формуванні α-спіралі відбувається спи-ралевидное закручування поліпептидного ланцюга, що стабілізується за рахунок утворення водневих зв’язків, які виникають у певному порядку між NH — CO-групами пептидних зв’язків, що знаходяться в сусідніх витках спіралі (рис. 6). NH-група пептидного зв’язку кожного амінокислотного залишку з’єднується водневої зв’язком з CO-групою пептидного зв’язку іншого амінокислотного залишку, вилученого полипеп-тидной ланцюга від першого на 4 амінокислотних залишку, вважаючи за направ-річчя ланцюга тому.

Водневі зв’язки орієнтовані вздовж осі спіралі, при цьому атоми кисню, сполучені подвійним зв’язком з атомами вуглецю, про-ращены від атомів вуглецю по спіралі вперед, а атоми водню, сої-диненные з атомами азоту, звернені від атомів азоту по спіралі тому. Бічні радикали амінокислот також орієнтовані вздовж осі спіралі у напрямку, протилежному напрямку поліпептидного ланцюга (напрямок поліпептидного ланцюга прийнято вважати від N-кінця до C-кінця). Всередині α-спіралі не утворюється порожнини, так як весь простір пів-ністю включена угрупованнями пептидних зв’язків і α-вуглецевих атомів. На поверхні α-спіралі знаходяться бічні радикали амінокислот, які можуть взаємодіяти як між собою, так і з речовинами навколишнього середовища.

Більшість відомих білків утворюють α-спіраль, у якій спи-ралевидное закручування поліпептидного ланцюга відбувається за напрямком руху годинникової стрілки. Розрахунки показують, що на кожний виток спіралі доводиться 3,6 амінокислотних залишку, а хід спіралі при подовженні ланцюга на один амінокислотний залишок дорівнює 0,15 нм. Діаметр умовної циліндричної поверхні, на якій знаходяться α-вуглецеві атоми амінокислотних радикалів, становить 1,01 нм (рис. 7).

Спіралеподібна конфігурація вторинної структури є основ-ною для фібрилярних білків, як наприклад, білки волосся, вовни, пір’я, роги — кератину. Однак довжина спирализованных ділянок глобулярных білків невелика і зазвичай становить кілька витків (3-4 обороту α-спіралі). Спирализация поліпептидного ланцюга виникає в тому випадку, коли на певному її ділянці групуються залишки α-аланіну, лейцину, фенілаланіну, тирозину, триптофану, цистеїну, метіоніну, гістидину, аспарагіну, глутаміну, валіну.

Досить часто у структурі глобулярных білків зустрічаються вигини і петлі, повертаючи пептидний ланцюг на певний кут. Найбільш характерною формою такої структури є так званий b-вигин, повертає пептидний ланцюг на 180˚. Зазвичай b-вигин включає 3-4 амінокислотних залишку, ключовим з яких є залишок амінокислоти гліцину.

Залишки амінокислоти проліну викликають злам утворюється α-спіралі з відхиленням від осі спіралі на кут 20˚-30˚. Це пояснюється тим, що азот проліну, що входить в структуру пептидних угруповань, не пов’язаний з атомом водню і тому не утворює водневий зв’язок.

БУДОВУ БІЛКОВИХ МОЛЕКУЛ

Є амінокислоти, які, виходячи з будови радикала, форми-гічні інший тип вторинної структури (серин, ізолейцин, треонін, лізин, аргінін, аспарагінова і глутамінова кислоти), його називають b-структу-рою. B структурі водневі зв’язки утворюються між CO — NH-груп-етапами, що знаходяться в сусідніх відрізках поліпептидного ланцюга, які мають паралельну або протилежну спрямованість; у відповід-ності з цим і b-структури називають паралельними або антипараллель-вими.

У двох сусідніх ланцюгах, що формують b-структуру, в утворенні водневих зв’язків бере участь половина CO — NH-груп, що пов’язано з чє-редованием просторового розташування амінокислотних радикалів. Бічні радикали сусідніх амінокислотних залишків знаходяться в транс -положенні по відношенню до пептидного угрупованні, тому в утворенні водневих зв’язків з сусідньої поліпептидного ланцюгом бере участь кожна друга пептидний група. Залишилися вільними СО — та NН-групи можуть утворювати водневі зв’язки з аналогічними групами ще одного ланцюга з протилежного боку, а вона з наступною пептидного ланцюжка і т. д. Таким чином, за допомогою водневих зв’язків можуть бути з’єднані кілька пептидних ланцюгів (2-10) довжиною до 8 амінокислотних залишків уздовж кожної з ланцюгів, а у деяких навіть більше.

Відходять у протилежні сторони від кожної поліпептидного ланцюга радикали амінокислотних залишків, що утворюють поверхні, що мають складчасту будову. Складки цих поверхонь визначаються

кутами зв’язків α-вуглецевих атомів амінокислотних залишків (рис. 8). Дуже часто поверхню b-структури закручується під певним кутом, утворюючи вже супервторичную структуру.

Вторинна структура поліпептидів у вигляді α-спіралі і b-структур відноситься до структур, які періодично повторюють простору-крутство свої конфігурації, у зв’язку з чим їх називають регулярними структурами. Однак практично у кожної білкової молекулі є ділянки з цілком визначеною просторовою конфігурацією, але вона не повторюється в інших ділянках. Такі різновиди вторинної структури білка прийнято називати нерегулярними структурами .

Кожен білок в залежності від первинної структури, визначає набір і послідовність амінокислотних залишків у його поліпептидних ланцюгах, має цілком певні угруповання амінокислот на окремих ділянках молекули, які в залежності від їх фізико-хімічних параметрів здатні формувати той чи інший тип вторинної структури. Тому в даному білку у відповідності з послідовністю з’єднання амінокислот на кожній ділянці реалізується певний тип вторинної структури.

Відомо дуже мало білків, що мають на всіх ділянках молекули однакову вторинну структуру. До таких білків належать кератин (структурний білок вовни, пір’я, рогів) і колаген (білок сухожиль), що мають конфігурацію молекули у вигляді α-спіралі. Іншим прикладом є білки шовку (натурального) і насіння канавалии (конканавалін А), що утворюють переважно b-структури. Більшість білків формують змішаний тип вторинної структури, що включає на конкретних ділянках молекули і α-спіраль, і b-структури, і нерегурные структури. Так, наприклад, в білок міоглобін 79% складових його амінокислотних залишків, що утворюють вторинну структуру у вигляді α-спіралі, 16% припадає на ділянки з нерегулярною структурою і 5% беруть участь в утворенні b-вигинів. В рослинному білку папаине 28% вторинної структури представлено α-спіралями, 14% — b-структурами, 17% -b-вигинами і 41% — нерегулярними структурами.

БУДОВУ БІЛКОВИХ МОЛЕКУЛ

Ділянка антипараллельной b-структури

БУДОВУ БІЛКОВИХ МОЛЕКУЛ

Ділянка паралельної b-структури

(стрілками показано напрями поліпептидних ланцюгів)

На малюнку 9 показана схема можливого утворення вторинних структур на одній з ділянок поліпептидного ланцюга ферментного білка глицеральдегидфосфатдегидрогеназы. Як видно з представленої схеми, послідовності амінокислотних залишків 9 ® 22, 33 ® 45, 78 ® 81, 85 ® 88, 95 ® 98, 100 ® 112, 129 ® 133 утворюють спіралевидну вторинну структуру, тоді як амінокислотні послідовності 1®7, 26®32, 56®75, 90®94, 115®120, 126®128, 142® 147 утворюють b-структури, інші амінокислотні залишки беруть участь у формуванні вигинів і нерегулярних структур.

ТРЕТИННА СТРУКТУРА БІЛКІВ. Порядок розміщення в просторі всіх атомних угруповань поліпептидного ланцюга прийнято називати третинної структури білкової молекули. Вперше поняття про третинної структури білків було сформульовано в 1958 р. Д. Кендрью на основі рентгеноструктурного аналізу просторової конфігурації білка міоглобіну, внаслідок чого вдалося з’ясувати тривимірну структуру цього білка.

У процесі подальших досліджень було встановлено, що в побудові третинної структури білка важливу роль відіграють некова-лентные взаємодії між радикалами амінокислотних залишків, що знаходяться на поверхні вторинних структур, а також дисульфідні зв’язки, що виникають у результаті взаємодії сульфгідрильних груп

(-SH) залишків амінокислоти цистеїну. При формуванні третинної структури реалізуються три типи нековалентних взаємодій: освітно-ня водневих зв’язків, електростатичні і гідрофобні взаємодії дії.

Водневі зв’язки з’єднують між собою функціональні групи

бічних ланцюгів амінокислотних залишків:

R-OH. O=C-R R-O. H-N-R R-C=O. H-N-R

׀ ׀ ׀ ׀ ׀

ВІН Н Н NН2 Н

Насиченість білкової молекули водневими зв’язками досить велика – не менше 90% від можливого їх утворення. Важливе значення для стабілізації третинної структури білків мають також водневі зв’язки, які утворюють угруповання поліпептидів з молекулами води, що формують рідку фазу білкового розчину.

Між зарядженими угрупованнями амінокислотних залишків виникають сили електростатичного взаємодії:

R-COO‾. H3 N⁺-R

Формування компактної просторової структури в значи-тельний мірою сприяють гідрофобні взаємодії між неполярними угрупованнями бічних радикалів амінокислот, що входять до складу поліпептидного ланцюга. В результаті гідрофобних взаємодій відбувається відштовхування молекул води від поверхні гідрофобних угруповань і зближення останніх, внаслідок чого полипептидная ланцюг згортається у вигляді глобули. При цьому велика частина гідрофобних радикалів виявляється всередині глобули і таким чином захищається від контакту з молекулами води, а гідрофільні радикали, навпаки, знаходяться на поверхні білкової глобули, вони утворюють водневі зв’язки з молекулами води і стабілізують просторову структуру білка.

До амінокислот, які мають гідрофобні радикали, відносяться гліцин, лейцин, ізолейцин, валін, аланін, фенілаланін, цистеїн, метіонін. Гідрофільні радикали мають амінокислотні залишки треоніна, серину, триптофану, тирозину, аспарагіну і аспарагінової кислоти, глутаміну та глутамінової кислоти, лізину, гістидину.

що Утворюється в результаті гідрофобних взаємодій простору-господарська структура поліпептиду має досить щільну упаковку, внаслідок чого її дуже часто називають гідрофобним ядром білкової молекули. Навколо ядра формується оболонка з гідрофільних амінокислотних залишків, які можуть бути включені і гидрофоб-ві радикали, що утворюють гідрофобні виходи на поверхню белко-вої глобули. За рахунок формування таких структур забезпечується спе-цифичность взаємодії білкової молекули з речовинами навколишнього середовища. В склад гідрофільної оболонки, навколишнього гідрофобне ядро, входять також молекули води, зв’язані водневими зв’язками з полярними групами білкової молекули.

У багатьох білків важливим фактором стабілізації третинної структури є дисульфідні зв’язки, які утворюються при взаємодії залишків цистеїну за таким же механізмом, як і при формуванні димерів глутатіону. Однак утворення дисульфідних зв’язків не є обов’язковою умовою стабільності третинної структури білка, так як відомо досить багато білків, що формують стійку простору-ного структуру тільки за рахунок нековалентних взаємодій.

При формуванні третинної структури білка може виникати не одне, а два і більше гідрофобних ядра, що включають досить великі відрізки однієї і тієї ж поліпептидного ланцюга. Між цими ядрами утворюються западини і порожнини, що мають существеннное значення для функціонування білка.

Третинна структура поліпептидів складається з елементів вторинної структури. Так, в складі ряду білків третинна структура представлена тільки α-спіралями, які розміщуються в просторі у вигляді паралельних ділянок. Разом з тим відомі білки, побудовані в основному з b-структур, згорнутих в просторі під певним кутом. Однак у багатьох білків просторова конфігурація молекули формується у вигляді змішаних структур, що включають певні поєднання α-спіралей і b-структур. При цьому досить часто внутрішня частина молекули поліпептиду представлена b-структурами, які на поверхні оточені α-спіралями.

На малюнку 10 показано третинна структура ферментних білків триозофосфатизомеразы і лізоциму. В молекулі триозофосфатизомеразы в центральній частині представлені b-шари, які оточені α-спіралями. У лизоциме частина третинної структури (у верхній частині малюнка) утворена у вигляді b-структур, а інша частина (у нижній частині малюнка) представлена α-спіралями.

Для існуючих в природі білків встановлено суворе відповідність між первинною та третинної структурами поліпептидів. Послідовність амінокислотних залишків у поліпептидного ланцюга зумовлює її просторову конфігурацію. Цей принцип підтверджується в дослідах по конструюванню амінокислотних послідовностей поліпептидів, здатних формувати простору-твенную структуру заданого типу.

ЧЕТВЕРТИННА СТРУКТУРА БІЛКІВ. Багато білки представяют собою складні молекули, що утворюються при нековалентном взаємодії-ності двох або декількох поліпептидів, кожен з яких має свою третинну структуру. Такі білки прийнято називати олігомерами, а утворюють їх поліпептиди — полипептидными субодиницями білка. Спосіб спільної упаковки і розміщення в просторі поліпептидних субодиниць олігомерних білків називають четвертинної структурою білка.

Вперше четвертинну структуру білка встановили методом рентгеноструктурного аналізу при вивченні просторової конфігурі-

ції молекул гемоглобіну (Перутц М. 1959). В цих дослідженнях було визначено, що молекула гемоглобіну складається з чотирьох субодиниць: двох α-поліпептидних ланцюгів по 141 амінокислотним залишком в кожній і двох b-ланцюгів по 146 амінокислотних залишків в кожній. Субодиниці гемоглобіну розміщуються просторі симетрично, займаючи вершини тетраэдрической структури (рис. 11).

В молекулі гемоглобіну спостерігається більш сильна взаємодія між різними субодиницями і відносно слабкіше виражена зв’язок між однойменними субодиницями, внаслідок чого формуються досить стійкі димери різних субодиниць (ab), з яких формується структура тетрамерной молекули за рахунок більш слабких взаємодій. Такий порядок взаємодії субодиниць гемо-глобіну призводить до утворення абсолютно однотипних молекул a2 b, тоді як інші поєднання субодиниць нестійкі.

Якщо характер взаємодії між всіма субодиницями оліго-мірного білка однаковий, то можливе виникнення молекул з різним набором поліпептидів. Так, наприклад, у тетрамера, молекули якого утворюються з двох типів субодиниць А та Б, формуються олігомери наступного складу: А4. А3 Б2 Б2. АБ3. АБ4. Всі вони являють собою структурно близькі білки, що виконують одну й ту ж функцію в орга-низме. Молекули олігомерного білка, побудовані з різних полипеп-тидных субодиниць і виконують одну і ту ж біологічну функ-цію, прийнято називати множинними молекулярними формами, або ізоформами, даного білка.

З’єднання поліпептидних субодиниць в олігомерні молекули відбувається за рахунок нековалентних взаємодій. Важливу роль відіграють водневі зв’язки, які утворюються між накладывающимися еле — ментами b-структур, що входять до складу білкових субодиниць, а також у результаті взаємодії радикалів амінокислот, що мають угру — повань:

-СООН, -OH, =NH, -NH2 .

При розгляді третинної структури білків було показано, що в поверхневої оболонці, навколишнього гідрофобне ядро, також містить жится багато гідрофобних радикалів амінокислот, які в результаті зближення поверхонь третинних структур двох субодиниць вступають в гідрофобні взаємодії, що вносить істотний внесок у фор-мування четвертинної структури білків. Причому у деяких білків гідрофобні взаємодії є головними факторами формування-ня їх четвертинної структури. Так, наприклад, у ряду регуляторних білків є характерні послідовності аминоислотных залишків, в яких з певною частотою зустрічається гідрофобний радикал лейцину (в одному і тому ж положенні через кожні 2 витка α-спіралі). У результаті взаємодії двох субодиниць відбувається гідрофобне поєднання їх спіралеподібних конфігурацій і утворення подвійної спіралі, що з’єднує дані субодиниці в одну молекулу. Такий тип гідрофобної взаємодії між поліпептидами білка отримав назву «лейциновых петель».

Важливими чинниками формування четвертинної структури білків

є електростатичні взаємодії між зарядженими груп-пировками сусідніх субодиниць, представленими радикалами дикарбо-нових (аспарагінова і глутамінова кислоти) і диаминомонокарбоно-вих (лізин, аргінін) кислот. Таким чином, в результаті спільної дії всіх зазначених факторів утворюється досить стійка простору-господарська структура олігомерної молекули білка.

Найбільш часто четвертинна структура білків представлена дімі-рами, тримерами, тетрамерами і гексамерами, хоча і відомі білки, що містять в молекулі 8, 12, 24 і більше субодиниць. Біологічна роль четвертинної структури білків полягає в тому, що шляхом з’єднання порівняно невеликих структурних елементів виявляється можливим формування більш складних структур, що забезпечують білку велику лабільність, здатність виконувати конкретну біологічну функ-цію, можливість поєднання в одній просторовій структурі ніс-колько функціонально активних центрів.

КОНФОРМАЦІЯ БІЛКОВИХ МОЛЕКУЛ

В клітинах живого організму при певній температурі, pH і концентрації фізіологічної середовища білкові молекули утворюють тер-модинамически найбільш стійку в цих умовах просторову структуру, що забезпечує виконання білком його біологічної функ-ції. Таку просторову структуру називають нативної конформа -ї білкової молекули.

При зміні фізіологічних умов молекули білків можуть оборотно змінювати свою нативну конформацію, при цьому змінюється і їх біологічна активність. Зворотні зміни нативної конформації білків (перебудова їх просторової структури) мають важливе значення для регуляції ферментативної активності, транспорту іонів і метаболітів через мембрани, регулювання проникності клітинних мембран.

Як зазначалося раніше, освіта просторової структури білків визначається генетично детермінованою послідовник-ністю з’єднання амінокислотних залишків у поліпептидних ланцюгах. Отже, нативна конформація білка залежить від його первинної структури. Але разом з тим для формування нативної конформації білка потрібно і весь набір факторів внутрішньої фізіологічної середовища даної клітини (певний pH, присутність певних іонів і інших кофакторів).

Побудова просторової структури білкової молекули відбу-ходить у процесі її синтезу у міру подовження поліпептидного ланцюга, що, ймовірно, і зумовлює послідовність взаємодії группиро-вок при формуванні вторинної та третинної структури синтезованого поліпептиду. В спеціальних дослідах показано, що в білковій молекулі є амінокислотні залишки, які є активними ініціативи торами нековалентних взаємодій, що полегшують формування про-межуточных структур у процесі переходу білка до нативної конфор-мації.

У правильному побудові просторової структури білкових молекул беруть участь спеціалізовані білки — шапероны. Особливо багато таких білків синтезується в стресових умовах. Вони утворюють комплекси з полипептидными ланцюгами, запобігаючи їх агрегацію у процесі формування вторинної та третинної структури. Один з ділянок білка-шаперон нековалентно зв’язується з розгорнутою поліпептидного ланцюгом, а інший приєднує АТФ. При гідролізі АТФ шаперон переходить в інше конформаційної стан і його комплекс з формує просторову структуру поліпептидом розпадається.

Відомі й інші білки — каталізатори формування простору-господарської структури поліпептидів. Так, у клітинах вищих організмів виявлений фермент протеиндисульфидизомераза. каталізує пра-вильное утворення дисульфідних зв’язків при формуванні третинної структури поліпептидів. Він прелставляет собою димерный білок, содер-жащий в активному центрі залишки амінокислоти цистеїну.

У побудові нативної конформації білка лімітуючою стадією може бути перехід угруповань пептидних зв’язків з цис — в транс -конфігурацію. Особливо повільно проходить цис -транс -ізомеризація угруповань пептидних зв’язків, утворених иминогруппой проліну. Для прискорення таких перетворень в клітинах організмів є спеціальний фермент пролив -цис -транс -изомераза .

Характерні особливості просторової конфігурації гомоло-гичных білкових молекул, що виконують одну й ту ж функцію у різних організмів, визначаються наявністю однакових амінокислотних залишків у ключових положеннях, сильно впливають на конформацію молекули, тоді як в інших положеннях можуть знаходитися різні амінокислотні залишки. Але вони слабше впливають на конформацію молекули.

Дуже характерну будову мають мембранні білки, які, як правило, містять трансмембранні фрагменти у вигляді α-спіралей; від них відходять внемембранные поліпептиди, що забезпечують зв’язок з навколишнім фізіологічної середовищем. Трансмембранні поліпептидні фрагменти можуть бути утворені і у вигляді b-структур. Основні функції мембранних білків — транспорт молекул та іонів через мембрану, міжклітинні взаємодії, утворення іонних каналів, передача зовнішніх сигналів у клітину та ін

Під впливом сильно діючих факторів (висока температура, екстремальні значення pH, присутність катіонів важких металів, застосування органічних розчинників і детергентів) може походить-дить разупорядочивание системи водневих зв’язків, електростатичних та гідрофобних взаємодій у молекулах білків, що викликає су-щественное зміна їх вторинної та третинної структури, що призводить до втрати нативної конформації. При цьому білок вже не може виконувати властиву йому біологічну функцію. Необоротне зміна просторової структури білкових молекул, яке супроводжується втратою їх нативних властивостей, називають денатурацією білків.

Наочним прикладом денатурації є теплова денатурація білків. При підвищенні температури зростає амплітуда коливань атомів, що призводить до розриву водневих зв’язків і ослаблення елек-тростатических взаємодій у молекулах білків, у результаті чого відбувається необоротне згортання і осадження білків з розчину. Більшість білків піддаються денатурації при температурі 70-80˚C. Однак деякі білки відрізняються досить високою термостабиль-ністю. Так, наприклад, ферменти термофільних бактерій зберігають каталітичну активність при температурі 80˚C.

Відомі речовини, що стабілізують нативну структуру білкових молекул, і їх присутність в розчині підвищує температуру дена-турации білків. До таких речовин відносяться водорозчинні солі, що містять катіони кальцію (Ca 2+ ).

Денатурація білків може відбуватися у сильно кислому або сильно лужному середовищі. У сильно кислому середовищі практично повністю пригнічується дисоціація карбоксильної груп амінокислотних радикалів дикарбо-нових кислот і заряд білкової молекули визначається позитивними зарядами радикалів диаминомонокарбоновых кислот, взаємне отталкива-ня яких викликає розрив водневих зв’язків і ослаблення електростатичних взаємодій, стабілізуючих третинну структу-ру молекули. В результаті білки втрачають нативну конформацію і піддаються коагуляції (осадження).

В сильно лужному середовищі (pH>11) втрачається позитивний заряд радикалів диаминомонокарбоновых кислот і заряд білкової моле-кули визначається негативними зарядами карбоксильних груп ді-карбонових амінокислот, взаємне відштовхування яких викликає раз-рыв водневих зв’язків і ослаблення електростатичних взаємодій в молекулі, внаслідок чого відбувається істотна зміна про-странственной структури і денатурація білка.

Сильним денатурирующим дією володіють катіони важких металів, трихлоруксусная, хлорне, вольфрамова і деякі інші кислоти, які утворюють з білками нерозчинні солі.

Деякі органічні розчинники (спирт, ацетон, формамід) здатні взаємодіяти з гідрофобними радикалами амінокислотних залишків білків і з молекулами води, викликаючи ослаблення гідрофобних взаємодій і розрив водневих зв’язків, що стабілізують третинну структуру поліпептидів, в результаті чого відбувається денатурація білкових молекул.

Встановлено, що денатурація білків у розчині або у вологому стані відбувається значно легше і швидше, ніж у висушеному стані, і це використовується при розробці технологій сушіння біоло-гічного матеріалу і різних рослинних продуктів (зерна, макаронів, овочів і фруктів). Відомості про денатурації білків також враховуються при випічці хліба і кондитерських виробів, приготування консервів та інших харчових продуктів.

Нам важлива ваша думка! Був корисний опублікований матеріал? Так | Ні

Короткий опис статті: будова білків

Джерело: БУДОВА БІЛКОВИХ МОЛЕКУЛ

Також ви можете прочитати