Строение и структура белка

План:

 

1.Белки

2.История исследования белков

3.Строение белков

4.Структура белка

4.1.Первичная  структура белка

4.2.Вторичная  структура белка

4.3.Третичная  структура белка

4.4.Четвертичная  структура белка

5.Денатурация белков

6.Биологическая роль белка

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Белки

 

БЕЛКИ —  это азотсодержащие высокомолекулярные органические вещества со сложным составом и строением молекул. Белок можно рассматривать как сложный полимер аминокислот. Белки входят в состав всех живых организмов, но особо важную роль они играют в животных организмах, которые состоят из тех или иных форм белков (мышцы, покровные ткани, внутренние органы, хрящи, кровь). Растения синтезируют белки (и их составные части a-аминокислоты) из углекислого газа СО2 и воды Н2О за счет фотосинтеза, усваивая остальные элементы белков (азот N, фосфор Р, серу S, железо Fe, магний Mg) из растворимых солей, находящихся в почве. Животные организмы в основном получают готовые аминокислоты с пищей и на их базе строят белки своего организма. Ряд аминокислот (заменимые аминокислоты) могут синтезироваться непосредственно животными организмами. Характерной особенностью белков является их многообразие, связанное с количеством, свойствами и способами соединения входящих в их молекулу аминокислот. Белки выполняют функцию биокатализаторов — ферментов, регулирующих скорость и направление химических реакций в организме. В комплексе с нуклеиновыми кислотами обеспечивают функции роста и передачи наследственных признаков, являются структурной основой мышц и осуществляют мышечное сокращение.

В молекулах  белков содержатся повторяющиеся амидные  связи С(0)—NH, названные

пептидными (теория русского биохимика А.Я.Данилевского). Таким образом, белок представляет собой полипептид, содержащий сотни или тысячи аминокислотных звеньев.

 

 

2.История исследования  белков

Первые попытки  выделить белки были предприняты  еще в 18 веке. К началу 19 века появляются первые работы по химическому изучению белков. Французские ученые Ж.Л. Гей-Люссак и Л.Ж. Тенар попытались установить элементный состав белков из разных источников, что положило начало систематическим аналитическим исследованиям, благодаря которым был сделан вывод о том, что все белки сходны по набору элементов, входящих в их состав. В 1836 голландский химик Г. Я. Мульдер предложил первую теорию строения белковых веществ, согласно которой все белки имеют некий гипотетический радикал (С40H62N10O12), связанный в различных пропорциях с атомами серы и фосфора. Он назвал этот радикал «протеином» (от греч. protein — первый, главный). Теория Мульдера способствовала увеличению интереса к изучению белков и совершенствованию методов белковой химии. Были разработаны приемы выделения белков путем экстракции растворами нейтральных солей, впервые были получены белки в кристаллической форме (гемоглобин, некоторые белки растений). Для анализа белков стали использовать их предварительное расщепление с помощью кислот и щелочей.

Одновременно  все большее внимание стало уделяться  изучению функции белков. Й. Я. Берцелиус в 1835 первым высказал предположение о том, что они играют роль биокатализаторов. Вскоре были открыты протеолитические ферменты— пепсин (Т. Шванн, 1836) и трипсин (Л. Корвизар, 1856), что привлекло внимание к физиологии пищеварения и анализу продуктов, образующихся в ходе расщепления пищевых веществ. Дальнейшие исследования структуры белка, работы по химическому синтезу пептидов завершились появлением пептидной гипотезы, согласно которой все белки построены из аминокислот. К концу 19 века было изучено большинство аминокислот, входящих в состав белков. В начале 20 века немецкий химик Э. Г. Фишер впервые применил методы органической химии для изучения белков и доказал, что белки состоят из a-аминокислот, связанных между собой амидной (пептидной) связью. Позже, благодаря использованию физико-химических методов анализа, была определена молекулярная масса многих белков, установлена сферическая форма глобулярных белков, проведен рентгеноструктурный анализ аминокислот и пептидов, разработаны методы хроматографического анализа. Был выделен первый белковый гормон — инсулин (Ф. Г. Бантинг, Дж. Дж. Маклеод, 1922), доказано присутствие гамма –глобулинов в антителах, описана ферментативная функция мышечного белка миозина (В. А. Энгельгардт, М. Н. Любимова, 1939). Впервые в кристаллическом виде были получены ферменты — уреаза (Дж. Б. Салинер, 1926), пепсин (Дж. Х. Нортрон, 1929), лизоцим (Э. П. Абрахам, Р. Робинсон, 1937).

В 1950-х гг. была доказана трехуровневая организация  белковых молекул — наличие у  них первичной, вторичной и третичной  структуры; создается автоматический анализатор аминокислот (С. Мур, У. Х. Стайн, 1950). В 60-х гг. предпринимаются попытки химического синтеза белков (инсулин, рибонуклеаза). Существенно усовершенствовались методы рентгеноструктурного анализа; был создан прибор — секвенатор (П. Эдман, Г. Бэгг, 1967), позволявший определять последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Следствием этого явилось установление структуры нескольких сотен белков из самых разных источников. Среди них протеолитические ферменты (пепсин, трипсин, химотрипсин, субтилизин, карбоксипептидазы), миоглобины, гемоглобины, цитохромы, лизоцимы, иммуноглобулины, гистоны, нейротоксины, белки вирусных оболочек, белково-пептидные гормоны . В результате появились предпосылки для решения актуальных проблем энзимологии, иммунологии, эндокринологии и других областей биологической химии.

В конце 20 века значительные успехи были достигнуты в изучении роли белков в ходе матричного синтеза биополимеров, понимания  механизмов их действия в различных  процессах жизнедеятельности организмов, установления связи между их структурой и функцией. Огромное значение при  этом имело совершенствование методов  исследования, появление новых способов для разделения белков и пептидов. Разработка эффективного метода анализа последовательности расположения нуклеотидов в нуклеиновых кислотах позволила значительно облегчить и ускорить определение аминокислотной последовательности в белках. Это оказалось возможным потому, что порядок расположения аминокислот в белке определяется последовательностью нуклеотидов в кодирующем этот белок гене (фрагменте ДНК). Следовательно, зная расстановку нуклеотидов в этом гене и генетический код, можно безошибочно предсказать, в каком порядке располагаются аминокислоты в полипептидной цепи белка. Наряду с успехами в структурном анализе белков значительные результаты были достигнуты в изучении их пространственной организации, механизмов образования и действия надмолекулярных комплексов, в том числе рибосом и других клеточных органелл, хроматина, вирусов и т. д.

 

3.Строение белков

 

Практически все белки построены из 20 a-аминокислот, принадлежащих к L-ряду, и одинаковых практически у всех организмов. Аминокислоты в белках соединены между собой пептидной связью—СО—NH—, которая образуется карбоксильной и a-аминогруппой соседних аминокислотных остатков: две аминокислоты образуют дипептид, в котором остаются свободными концевые карбоксильная (—СООН) и аминогруппа (H2N—), к которым могут присоединяться новые аминокислоты, образуя полипептидную цепь.

Участок цепи, на котором находится концевая Н2N-группа, называют N-концевым, а противоположный ему — С-концевым. Огромное разнообразие белков определяется последовательностью расположения и количеством входящих в них аминокислотных остатков. Хотя четкого разграничения не существует, короткие цепи принято называть пептидами или олигопептидами, а под полипептидами (белками) понимают обычно цепи, состоящие из 50 и более аминокислот. Наиболее часто встречаются белки, включающие 100-400 аминокислотных остатков, но известны и такие, молекула которых образована 1000 и более остатками. Белки могут состоять из нескольких полипептидных цепей. В таких белках каждая полипептидная цепь носит название субъединицы.

 

4.Структура белка

4.1.Первичная структура  белка

Представляет  собой линейную цепь аминокислот, расположенных  в определенной последовательности и соединенных между собой  пептидными связями. Пептидная связь образуется за счет  -карбоксильной группы одной аминокислоты и  -аминной группы другой:

Пептидная связь  вследствие p,  -сопряжения  -связи карбонильной группы и р-орбитали атома N, на котором находится не поделенная пара электронов, не может рассматриваться как одинарная и вращение вокруг нее практически отсутствует. По этой же причине хиральный атом   и карбонильный атом   любого i-го аминокислотного остатка пептидной цепи и атомы N и  (i+1)-го остатка находятся в одной плоскости. В этой же плоскости находятся карбонильный атом О и амидный атом Н (однако накопленный при изучении структуры белков материал показывает, что это утверждение не совсем строго: атомы, связанные с пептидным атомом азота, находятся не в одной плоскости с ним, а образуют трехгранную пирамиду с углами между связями, очень близкими к 120 градусам. Поэтому между плоскостями, образованными атомами  , существует некоторый угол, отличающийся от 0. Но, как правило, он не превышает 1 и не играет особой роли). Поэтому геометрически полипептидную цепочку можно рассматривать как образованную такими плоскими фрагментами, содержащими каждый по шесть атомов. Взаимное расположение этих фрагментов, как и всякое взаимное расположение двух плоскостей, должно определятся двумя углами. В качестве таковых принято брать торсионные углы, характеризующие вращения вокруг  -связей N-  и  - .

 

4.2.Вторичная структура  белка

 

 

 

Фрагменты пространственной структуры биополимер, имеющие периодическое  строение полимерного остова, рассматривают  как элементы вторичной структуры.

Если на протяжении некоторого участка цепи однотипные углы приблизительно одинаковы, то структура  полипептидной цепи приобретает  периодический характер. Существует два класса таких структур - спиральные и растянутые (плоские или складчатые).

Спиральной считается структура, у которой все однотипные атомы лежат на одной винтовой линии. При этом спираль считается правой, если при наблюдении вдоль оси спирали она удаляется от наблюдателя по часовой стрелке, и левой - если удаляется против часовой стрелки. Полипептидная цепь имеет спиральную конформацию, если все атомы   находятся на одной винтовой линии, все карбонильные атомы   - на другой, все атомы N - на третьей, причем шаг спирали для всех трех групп атомов должен быть одинаков. Одинаковым должно быть и число атомов, приходящихся на один виток спирали, независимо от того, идет ли речь об атомах  ,   или N. Расстояние же до общей винтовой линии для каждого из этих трех типов атомов свое.

Главными  элементами вторичной структуры  белков являются  -спирали и  -складки.

Спиральные  структуры белка. Для полипептидных цепей известно несколько различных типов спиралей. Среди них наиболее распространена правая  -спираль. Идеальная  -спираль имеет шаг 0,54 нм и число однотипных атомов на один виток спирали 3,6, что означает полную периодичность на пяти витках спирали через каждые 18 аминокислотных остатков. Значения торсионных углов для идеальной  -спирали  = - 57 градусов  = - 47 градусов, а расстояния от атомов, образующих полипептидную цепь, до оси спирали составляет для N 0,15 нм, для   0,23 нм, для   0,17 нм. Любая конформация существует при условии, что имеются факторы, стабилизирующие ее. В случае  -спирали такими факторами являются водородные связи, образуемые каждым карбонильным атомом (i+4)-го фрагмента. Важным фактором стабилизации  -спирали также является параллельная ориентация дипольных моментов пептидных связей.

Складчатые  структуры белка. Одним из распространенных примеров складчатой периодической  структуры белка являются т.н.  -складки, состоящие из двух фрагментов, каждый из которых представлен полипептидом.

-складки также стабилизируются  водородными связями между атомом водорода  аминной группы одного фрагмента и атомом кислорода  карбоксильной группы другого фрагмента. При этом фрагменты могут иметь как параллельную, так и антипараллельную ориентацию относительно друг друга.

Структура, образующаяся в результате таких  взаимодействий, представляет собой  гофрированную структуру. Это сказывается  на значениях торсионных углов   и  . Если в плоской, полностью растянутой структуре они должны были бы составить 180 градусов, то в реальных  -слоях они имеют значения   = - 119 градусов и   = + 113 градусов. Для того чтобы два участка полипептидной цепи располагались в ориентации, благоприятствующей образованию  -складок, между ними должен существовать участок, имеющий структуру, резко отличающийся от периодической.

 

 

 

4.3.Третичная структура  белка

 

Под этим термином понимают полную укладку  в пространстве всей полипептидной  цепи, включая укладку боковых  радикалов. Полное представление о  третичной структуре дают координаты всех атомов белка. Благодаря огромным успехом рентгеноструктурного анализа такие данные, за исключением координат атомов водорода получены для значительного числа белков. Это огромные массивы информации, хранящиеся в специальных банках данных на машиночитаемых носителях, и их обработка немыслима без применения быстродействующих компьютеров. Полученные на компьютерах координаты атомов дают полную информацию о геометрии полипептидной цепи, в том числе значения торсионных углов, что позволяет выявить спиральную структуру,  -складки или нерегулярные фрагменты. Примером такого исследовательского подхода может служить следующая пространственная модель структуры фермента фосфоглицераткиназы:

Общая схема  строения фосфоглицераткиназы. Для наглядности  -спиральные участки представлены в виде цилиндров, а  -складки - в виде лент со стрелкой, указывающей направление цепи от N-конца к С-концу. Линии - нерегулярные участки, соединяющие структурированные фрагменты.

Изображение полной структуры даже небольшой  белковой молекулы на плоскости, будь то страница книги или экран дисплея  мало информативно из-за чрезвычайно сложного строения объекта. Чтобы исследователь мог наглядно представлять пространственное строение молекул сложных веществ, используют методы трехмерной компьютерной графики, позволяющей выводить на дисплей отдельные части молекул и манипулировать с ними, в частности поворачивать их в нужных ракурсах.

Третичная структура  формируется в результате не ковалентных  взаимодействий (электростатические, ионные, силы Ван-дер-Ваальса и др.) боковых радикалов, обрамляющих  -спирали и  -складки, и непериодических фрагментов полипептидной цепи. Среди связей, удерживающих третичную структуру следует отметить:

а) дисульфидный мостик ( - S - S - )