Уровни структурной организации белков

Первичная структура

Первичной структурой называют последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи. Она формируется в результате соединения L- α -аминокислот прочными пептидными связями. Каждый индивидуальный белок имеет уникальную последовательность аминокислот в цепи, то есть первичную структуру, которая закодирована в ДНК. Первичная структура специфически определяет более высокие уровни структурной организации: вторичную, третичную и четвертичную, то есть конформацию белковой молекулы.

Даже небольшое изменение первичной структуры может значительно изменить свойства белка. Например, при врожденном нарушении структуры гемоглобина в эритроцитах содержится НbS, у которого в 6 положении вместо глутаминовой кислоты находится валин. HbS отличается по физико-химическим свойствам от НbА, у людей с такой аномалией проявляется серповидноклеточная анемия.

Вторичная структура

Вторичная структура белков – это конформация полипептидной цепи или ее пространственное расположение.

Вторичная структура стабилизирована водородными связями, возникающими между функциональными группами –СО– и – NH– пептидных связей. Пептидная цепь стремится принять конформацию с максимальным числом водородных связей, так как ей соответствует минимум свободной энергии.

Однако пространственное расположение полипептидной цепи ограничено плоскими жесткими пептидными связями, находящимися в транс-конформации.

α -спираль. α-спираль, стабилизируется многочисленными внутрицепочечными водородными связями между NH-группой одного аминокислотного остатка и CO-группой четвертого от него остатка. Водородные связи располагаются вдоль оси α -спирали. α-спираль образуется самопроизвольно, т. к. является устойчивой конформацией, которой соответствует минимум свободной энергии.

 

Схематическое изображение α-спиральной конформации полипептидной цепи.

Причины нарушения непрерывности α -спирали

· Электростатическое отталкивание одноименно заряженных радикалов аминокислот;

· близкое расположение объемных радикалов – механическая помеха;

наличие в цепи пролина, который не способен образовывать водородную связь, т. к. он не имеет водорода у атома азота, участвующего в образовании пептидной связи

β-структура

β-структура (β-складчатый слой) имеет вид листа, сложенного «гармошкой», полипептидные цепи вытянуты, располагаются параллельно или антипараллельно. β-структура формируется за счёт водородных связей между СО– и NH–группами одной цепи, делающей изгиб или между разными полипептидными цепями. Водородные связи в β-структурах располагаются перпендикулярно полипептидным цепям. β-структура образуется самопроизвольно, т. к., подобно α-спирали, является устойчивой

конформацией.

 

Первичная структура антипараллельного складчатого листка

 

Содержание разных типов вторичных структур в белках неодинаково. Одни белки имеют много α -спирали, например, гемоглобин, миоглобин, тропомиозин. Другие белки имеют преимущественно β -структуры, например, иммуноглобулины и фермент супероксиддисмутаза. Многие белки содержат α -спирали и β -структуры: химиотрипсин (14% – α- спирали, 45% – β- структуры), рибонуклеаза (26% – α- спирали, 35% – β-структуры), лактатдегтдрогеназа (45% – α- спирали, 20% – β- структуры).

В белковых молекулах существуют участки цепи, которые не относятся к регуляторной вторичной структуре, ни к α- спирали, ни к β- складчатому слою, их обозначают как неупорядоченные конформации (клубок). Однако, это не означает меньшую биологическую значимость таких участков. Для обеспечения биологического функционирования молекулы беспорядочные участки также важны, как и регуляторные структуры (α- спираль и β- складчатый слой).

Задача

У пациентов с болезнью Альцгеймера (один из самых распространенных видов деменции) происходит образование белковых агрегатов в мозге – нейрофибриллярных клубков и амилоидных бляшек. При исследовании аутопсийного материала, обнаруживается особенность – при окрашивании конго красным возникает зеленая флюоресценция в поляризованном свете.

Какой вид вторичной структуры белка лежит в основе оптических свойств?

 

Ответ: характерное окрашивание амилоида обусловлено высокоупорядоченной β-складчатой структурой, перпендикулярной оси волокна.

Третичная структура

Третичная структура белков – это пространственная трехмерная структура или конформация, обусловленная межрадикальными взаимодействиями аминокислот, далеко стоящих друг от друга в полипептидной цепи.

Третичная структура белковой молекулы является уникальной, специфичной и биологически активной. Образование нативной конформации белка происходит самопроизвольно, т. к. белок стремится образовать пространственно структуры с наименьшей свободной энергией.

А информация о том, какой должна быть нативная трехмерная конформация полипептидной цепи заложена в аминокислотной последовательности, т. е. в первичной структуре.

Белки обладают конформационной лабильностью, они способны к легким изменениям пространственной структуры за счёт разрыва одних и образования других слабых связей, принимающих участие в формировании биологически активной конформации. Подобные конформационные изменения необходимы для обеспечения функционирования белковых структур в организме.

К слабым связям, которые обеспечивают конформационную лабильность белковых молекул, относятся ионные, водородные и гидрофобные взаимодействия, т. к. их энергия во много раз меньше, чем энергия ковалентной связи, даже при температуре тела человека возможен их разрыв и образование новых связей, но благодаря своей многочисленности они обеспечивают поддержание нативной конформации белка.

Процесс укладки полипептидной цепи в пространстве с образованием биологически активных конформаций называют «фолдингом белков».

Четвертичная структура

Четвертичной структурой обладают белки, состоящие из двух или более полипетидных цепей, соединенных нековалентными связями. Подобные белки называют олигомерами, а составляющие их индивидуальные цепи – протомерами, мономерами или субъединицами.

Четвертичной структурой белка называют количество и взаимное расположение полипептидных цепей в пространстве с образованием нативной конформации олигомерного белка.

Четвертичная структура также уникальна и специфична, как и другие уровни структурной организации.

Субъединицы олигомерного белка соединяются в результате образования слабых взаимодействий: ионных, водородных и гидрофобных связей, которые принимали участие и в формировании третичной структуры.

Примером может служить гемоглобин, находящийся в эритроцитах, он содержит 4 субъдиницы: две α и две β цепи (является тетрамером). Олигомерные белки обладают особыми свойствами, которых нет у мономерных белков.

 

Задание. Составьте таблицу: «Уровни структурной организации белков»

а) дайте определения первичной, вторичной, третичной и четвертичной структур.

б) укажите функциональные группы, участвующие в стабилизации структур и укажите связи, их стабилизирующие.

г) приведите примеры межрадикальных взаимодействийаминокислот.

Название	Определение	Функциональные группы, участвующие в образовании стабилизирующих химических связей
Первичная структура H HOOC │ │ R-----N – C – ---R │ ║ NH2 O	Последовательность L-α-АК в ППЦ	α-NH2 и α-СООН группы аминокислот
Вторичная структура	Способ укладки ППЦ в пространстве в форме α-спирали или β-структуры	α-спираль   β-структура
Третичная структура	Способ укладки в пространстве вторичной структуры в виде глобулы или фибриллы	Дисульфидные «мостики» между SH- группами цистеина, ионные связи между функциональными группами радикалов аминокислот, гидрофобное взаимодействие.
Четвертичная структура	Способ укладки в пространстве нескольких разных или одинаковых ППЦ (субъединиц)	Ван-дер-Ваальса силы, гидрофобного взаимодействия, межмолекулярного взаимодействия

 

 

Формы молекул белков могут быть различными.

К глобулярным относят большинство белков, хорошо растворимых в воде (миоглобин, гемоглобин, альбумины, глобулины и др.).

К фибриллярным относят фибрин, миозин, коллаген, эластин, кератин. Эти белки образуют межмолекулярные нитевидные комплексы (фибриллы), нерастворимые в воде.

Трансмембранные белки содержат домен, пронизывающий мембрану, вне- и внутриклеточные домены. Многие белки-ионные каналы, транспортные белки, рецепторы гормонов и нейромедиаторов содержат похожие сегменты, пронизывающие мембранную часть, представляющие собой α-спираль с остатками гидрофобных аминокислот, обращенных к липидному окружению мембраны.