Будова білкової молекули

26.09.2015

Будова білкової молекули

Білки являють собою поліпептиди, молекулярна маса яких перевищує 6000-10000 дальтон. Вони складаються з великого числа амінокислотних залишків.

На відміну від низькомолекулярних пептидів, білки володіють добре розвиненою тривимірної просторової структурою, яка стабілізується різного роду сильними і слабкими взаємодіями. Розрізняють чотири рівні структурної організації білкової молекули: первинну, вторинну, третинну і четвертинну структури.

Первинна структура білка представляє собою послідовність амінокислотних залишків, з’єднаних між собою пептидними зв’язками.

Вперше припущення про роль пептидних зв’язків у побудові білкових молекул була висунута російським біохіміком А. Я. Данилевським, ідеї якого лягли в основу поліпептидного теорії будови білків, сформульований німецьким хіміком Е. Фішером у 1902 р.

Основу первинної структури білкової молекули утворює регулярно повторюваний пептидний остов — NH-CH-CO-, а бічні радикали амінокислот складають її вариабельную частина.

Первинна структура білка міцна, тому що в основі її побудови лежать ковалентні за характером пептидні зв’язки, що представляють собою сильні взаємодії;

З’єднуючись між собою в різній послідовності, протеиногенные амінокислоти утворюють ізомери. З трьох амінокислот можна побудувати шість різних трипептидов. Наприклад, гліцину, аланіну і валіну — глі-ала-вал, гли-вал-ала, ала-глі-вал, ала-вал-глі, вал-глі-ала і вал-ала-глі. З чотирьох амінокислот можна утворити 24 тетрапептида, а з п’яти — 120 пентапептидов. З 20 амінокислот можна побудувати 2 432 902 008 176 640 000 поліпептидів. При цьому кожна амінокислота використовується в побудові розглянутих поліпептидних ланцюжків тільки один раз.

Багато природні поліпептиди налічують у своєму складі сотні і навіть тисячі амінокислотних залишків, і кожна з 20 протеіногенних амінокислот може зустрічатися в їх складі неодноразово. Тому число можливих варіантів поліпептидних ланцюжків нескінченно велике. Проте в природі реалізуються далеко не всі теоретично можливі варіанти амінокислотних послідовностей.

Першим білком, первинна структура якого була розшифрована, є бичачий інсулін. Його молекула складається з двох поліпептидних ланцюжків, одна з яких містить 21, а інша — 30 амінокислотних залишків. Ланцюжки з’єднуються між собою двома дисульфідними зв’язками. Ще одна дисульфидная зв’язок розташовується всередині короткому ланцюгу. Послідовність розташування амінокислотних залишків в молекулі інсуліну встановив англійський біохімік Ф. Сенгер в 1953 р.

Таким чином, Ф. Сенгер підтвердив полипептидную теорію будови білкової молекули Е. Фішера і довів, що білки — це хімічні сполуки, що володіють певною структурою, яку можна зобразити з допомогою хімічної формули. До теперішнього часу розшифровані первинні структури декількох тисяч білків.

Хімічна природа кожного білка унікальна і тісно пов’язана з його біологічною функцією. Здатність білка виконувати притаманну йому функцію визначається її первинною структурою. Навіть невеликі зміни в послідовності амінокислот в білку можуть призвести до серйозного порушення у його функціонуванні, виникнення важкого захворювання.

Хвороби, пов’язані з порушеннями первинної структури білка, отримали назву молекулярних. До теперішнього часу відкрито кілька тисяч таких хвороб.

Однією з молекулярних хвороб є серповидноклітинна анемія, причина якої криється в порушенні первинної структури гемоглобіну. У людей з природженою аномалією структури гемоглобіну в поліпептидного ланцюжка, що складається з 146 амінокислотних залишків, в шостому положенні знаходиться валін, тоді як у здорових людей на цьому місці — глутамінова кислота. Аномальний гемоглобін гірше транспортує кисень, а еритроцити крові хворих мають серповидну форму. Захворювання проявляється в уповільненні розвитку, загальної слабкості організму.

Первинна структура білка задана генетично. Це дає можливість організмів одного виду підтримувати сталість набору білків. Однак у різних видів живих організмів білки, що виконують однакову функцію, не ідентичні по первинній структурі — на окремих ділянках поліпептидного ланцюга вони можуть мати неоднакові послідовності амінокислот. Такі білки називаються гомологічними (грец. «гомологія» — згода).

Дослідження кон формації білкових молекул показали, що поліпептидні ланцюги не витягуються строго лінійно, а певним чином згортаються в просторі, утворюючи вторинну структуру.

Вторинна структура білка представляє собою поєднання впорядкованих і аморфних ділянок поліпептидного ланцюга.

Вивчаючи кристалічні структури сполук, що містять амідні групи, американський біохімік Л. Полінг встановив, що довжина пептидного зв’язку близька до довжини подвійного зв’язку і становить 0,1325 нм. Тому вільне обертання атомів вуглецю і азоту навколо пептидного зв’язку утруднено.

Крім того, атоми пептидних груп і ?-вуглецеві атоми розташовуються в поліпептидного ланцюга приблизно в одній площині. У зв’язку з цим повороти в поліпептидного ланцюга можуть відбуватися тільки по зв’язках, прилеглим до вуглецевим атомів.

За рахунок поворотів пептидних груп навколо ?-вуглецевих атомів, як встановили Л. Полінг і Р. Корі на початку 50-х років минулого століття, полипептидная ланцюг згортається в ?-спіраль і стабілізується за рахунок утворення максимально можливого числа водневих зв’язків.

При утворенні вторинної структури білкової молекули водневі зв’язки виникають між атомами пептидних груп, розташованими на сусідніх витках ос-спіралі один проти одного. Атом водню, з’єднаний ковалентним зв’язком з атомом азоту, має деякий позитивний заряд. Атом кисню, з’єднаний подвійним зв’язком з атомом вуглецю, має деякий негативний заряд. Водневий атом, опинившись навпроти атома кисню, зв’язується з ним водневої зв’язком. Воднева зв’язок слабка. Однак за рахунок утворення великого числа цих зв’язків забезпечується збереження строго впорядкованої структури.

Водневі зв’язки завжди спрямовані паралельно уявної осі а-спіралі, а радикали амінокислот — назовні від її витків. Пептидні групи з’єднуються між собою водневими зв’язками переважно через чотири амінокислотних залишку, так як саме їх Про-З — і H-N-групи виявляються просторово зближеними.

А-Спіраль є правозакрученной. Якщо дивитися на неї з торця, з боку N-кінця, то закручування поліпептидного ланцюжка відбувається за годинниковою стрілкою. Встановлені параметри а-спіралі. Відстань між сусідніми витками (крок спіралі) становить ?54 нм, а внутрішній діаметр спіралі — 1,01 нм. Один повний оберт спіралі включає в себе 3,6 амінокислотних залишку. Повне повторення структури ?-спіралі відбувається кожні 5 витків, включають в себе 18 амінокислотних залишків. Цей відрізок ?-спіралі називається періодом ідентичності і складає в довжину 2,7 нм.

Поліпептидні ланцюжки згортаються в а-спіраль не на всьому своєму протязі. Процентний вміст заспирализованных ділянок в білковій молекулі називається ступенем спіралізаціі. Білки істотно розрізняються за ступенем спіралізаціі, наприклад: для гемоглобіну крові вона дуже висока — 75%, для інсуліну також досить висока — 60%, для альбуміну курячого яйця значно нижче — 45%, а для химотрипсиногена (неактивного попередника ферменту травлення) вкрай низька — всього 11%.

Відмінності в ступені спіралізаціі білків пов’язані з низкою факторів, що заважають регулярному утворення водневих зв’язків між пептидними групами. До порушення спіралізаціі призводить, зокрема, освіта залишками цистеїну дисульфідних зв’язків, що з’єднують різні ділянки однієї або декількох поліпептидних ланцюгів. В області, близькій до залишку иминокислоты проліну, навколо ?-вуглецевого атома якого неможливо обертання сусідніх атомів, в поліпептидного ланцюга утворюється вигин.

Ряд протеіногенних амінокислот володіють такими радикалами, які не дозволяють їм брати участь у формуванні ?-спіралі. Ці амінокислоти утворюють паралельно розташовані складки, сполучені один з одним водневими зв’язками. Такий тип регулярного ділянки поліпептидного ланцюга отримав назву складчастої структури шару, або ?-структури.

На відміну від а-спіралі, що має стрижневу форму, ?-структура має форму складчастого листа. Вона стабілізується водневими зв’язками, що виникають між пептидними групами, розташованими на сусідніх ділянках поліпептидного ланцюга. Ці відрізки можуть бути спрямовані в одну сторону — тоді утворюється паралельна ?-структура, або протилежні — в цьому випадку виникає антипараллельная ?-структура.

Пептидні групи ?-структурі розташовуються в площинах складок, а бічні радикали амінокислот — над і під площиною. Відстань між сусідніми ділянками поліпептидного ланцюга у структурі складчастого шару становить 0,272 нм, що відповідає довжині водневої зв’язку між групами-ЗІ — і-NH-. Самі водневі зв’язки розташовуються перпендикулярно напрямку складчастої структури шару. Вміст ?-структури в різних білках коливається в широких межах.

Деякі ділянки поліпептидних ланцюжків не мають якої-небудь впорядкованої структури і являють собою безладні клубки. Такі ділянки називаються аморфними (грец. «аморфос» — безформний). Проте в кожному білку аморфні ділянки мають свою фіксовану конформацію. При цьому на відміну від відносно жорстких ділянок — ?-спіралі і ?-структури — аморфні клубки можуть порівняно легко змінювати свою конформацію.

Білки відрізняються за змістом різних типів вторинної структури. Наприклад, у структурі гемоглобіну виявлені тільки ?-спіралі. у багатьох ферментах присутні різні поєднання як ?-спіралей так і ?-структур, серед імуноглобулінів зустрічаються білки, що мають тільки ?-структуру. Нарешті, зустрічаються й такі білки, у яких впорядковані ділянки присутні в незначній кількості, а велика частина поліпептидного ланцюжка має аморфну структуру.

Поліпептидні ланцюжки зі сформованої вторинної структурою певним чином розташовані в просторі, створюючи ще один рівень структурної організації білкової молекули — третинну структуру.

Третинна структура білка утворюється в результаті специфічної укладання впорядкованих і аморфних ділянок поліпептидного ланцюга в певному об’ємі простору. Вона підтримується за рахунок сильних і слабких взаємодій, що виникають між бічними радикалами залишків амінокислот. До сильних взаємодій відноситься дисульфидная зв’язок, а до слабких — воднева і іонна зв’язку, а також гідрофобні взаємодії.

Дисульфидная зв’язок утворюється при взаємодії двох близько розташованих радикалів залишків цистеїну, що містять вільні сульфгідрильні групи.

Дисульфідні містки можуть з’єднувати між собою не тільки окремі ділянки всередині однієї поліпептидного ланцюга, а й (при утворенні четвертинної структури білка) різні поліпептидні ланцюжки.

Воднева зв’язок може виникати між бічними радикалами залишків амінокислот, що містять ОН-групи, наприклад, між двома залишками серину.

Крім радикалів залишків серину, подібним чином водневі зв’язки можуть утворювати радикали залишків треоніна і тирозину.

У формуванні третинної структури білкової молекули також беруть участь безліч водневих зв’язків, що виникають між бічними радикалами, наприклад: тирозину і глутамінової кислоти, аспарагіну і серину, лізину і глутаміну та ін

Іонні зв’язки виникають при зближенні негативно заряджених радикалів залишків кислих амінокислот — аспарагінової або глутамінової — з позитивно зарядженими радикалами залишків основних амінокислот — лізину, аргініну або гістидину. Іонна зв’язок між радикалами залишків аспарагінової кислоти та лізину.

Гідрофобні взаємодії виникають у воді, внаслідок тяжіння один до одного неполярних радикалів залишків амінокислот. До амінокислот з неполярними радикалами відносяться, наприклад, аланін, валін, лейцин, ізолейцин, фенілаланін, метіонін. Гідрофобна взаємодія між бічними радикалами залишків валіну та аланіну.

Щоб уникнути контакту з водою, неполярні радикали залишків амінокислот прагнуть зібратися разом всередині білкової молекули. Білок згортається в компактне тіло — глобулу (лат. «globulus» — кулька). Усередині глобули утворюється гідрофобне ядро, а зовні неї знаходяться полярні радикали залишків амінокислот, які взаємодіють з водою. Полярними радикалами володіють, наприклад, кислі і основні амінокислоти, серії, треонін, тирозин, аспарагін, глутамін.

Таким чином, кожна білкова глобула оточена гідратної оболонкою, представленої так званої «водяний шубою», що включає також структуровані молекули води, здатні утримувати на поверхні глобули до половини наявних у поліпептидного ланцюгу гідрофобних радикалів. Цим обумовлена розчинність білка.

Завдяки безлічі межрадикальных взаємодій, окремі ділянки білкової молекули виявляються просторово зближеними і зафіксованими відносно один одного. В ході утворення третинної структури білка формується активний центр. В результаті білок набуває здатність виконувати свою біологічну функцію.

Першим білком, третинна структура якого була встановлена, є міоглобін.

Третинні глобули можуть взаємодіяти між собою так, що виникає єдина молекула. Такі глобули називають субодиницями, а їх об’єднання — четвертинної структурою білкової молекули.

Четвертинна структура білка може будуватися з різного числа субодиниць, утримуваних разом, головним чином, за рахунок слабких взаємодій. Вона притаманна багатьом білків.

Субодиниці, характерним чином розташовані в просторі відносно один одного, утворюють олігомерний (мультимерный) комплекс. Здатність білків до утворення таких структур дозволяє об’єднувати в єдине ціле кілька активних центрів і взаємозалежних функцій, що дуже важливо для забезпечення протікання в клітці складних обмінних процесів.

Четвертинні структури білків можуть будуватися з 2, 4, 6, 8,10, 12, 24 і більше субодиниць і рідко — з непарного їх числа. Наприклад, четвертинну структуру гемоглобіну утворюють чотири попарно однакових субодиниці.

Четвертинна структура білкової молекули є такою ж унікальною, як і інші її структури. При цьому вся тривимірна упаковка поліпептидного ланцюга в просторі визначається її первинною структурою. Специфічна просторова структура (конформація), в якій білкові молекули володіють біологічною активністю, називається нативиой (лат. nativus — вроджений).

Поділіться посиланням з друзями

Короткий опис статті: будова білкової молекули Білки являють собою поліпептиди, молекулярна маса яких перевищує 6000-10000 дальтон. Вони складаються з великого числа амінокислотних залишків. В

Джерело: Будова білкової молекули

Також ви можете прочитати