Первинною структурою білків називається лінійний поліпептидний ланцюг з амінокислот, з'єднаних між собою пептидними зв'язками. Первинна структура – найпростіший рівень структурної організації білкової молекули. Високу стабільність їй надають ковалентні пептидні зв'язки між α-аміногрупою однієї амінокислоти та α-карбоксильною групою іншої амінокислоти.
Якщо в утворенні пептидного зв'язку бере участь іміногрупа проліну або гідроксипроліну, вона має інший вигляд
При утворенні пептидних зв'язків у клітинах спочатку активується карбоксильна група однієї амінокислоти, потім вона з'єднується з аміногрупою інший. Приблизно також проводять лабораторний синтез поліпептидів.
Пептидна зв'язок є фрагментом поліпептидного ланцюга, що повторюється. Вона має низку особливостей, які впливають не тільки на форму первинної структури, а й на найвищі рівні організації поліпептидного ланцюга:
· Копланарність - всі атоми, що входять до пептидної групи, знаходяться в одній площині;
· Здатність існувати у двох резонансних формах (кето-або енольной формі);
· транс-положення заступників стосовно С-N-зв'язку;
· Здатність до утворення водневих зв'язків, причому кожна з пептидних груп може утворювати два водневі зв'язки з іншими групами, у тому числі пептидними.
Виняток становлять пептидні групи за участю аміногрупи проліну або гідроксипроліну. Вони здатні утворювати лише один водневий зв'язок (див. вище). Це впливає на формуванні вторинної структури білка. Поліпептидний ланцюг на ділянці, де знаходиться пролін або гідроксипролін, легко згинається, тому що не утримується, як звичайно, другим водневим зв'язком.
схема утворення трипептиду:
Рівні просторової організації білків: вторинна структура білків: поняття про α-спіраль та β-складчастий шар. Третинна структура білків: поняття про нативний білок та денатурацію білка. Четвертична структура білків з прикладу будови гемоглобіну.
Вторинна структура білка.Під вторинною структурою білка розуміють спосіб укладання поліпептидного ланцюга у впорядковану структуру. По конфігурації виділяють такі елементи вторинної структури: α -спіраль та β -Складчастий шар.
Модель будови α-спіралі, що враховує всі властивості пептидного зв'язку, була розроблена Л. Полінгом та Р. Корі (1949 - 1951 рр.).
На малюнку 3, азображена схема α -спіралі, що дає уявлення про основні її параметри Поліпептидний ланцюг згортається в α -спіраль таким чином, що витки спіралі регулярні, тому спіральна конфігурація має гвинтову симетрію (рис. 3, б). на кожен виток α -спіралі припадає 3,6 амінокислотних залишків. Відстань між витками або крок спіралі становить 0,54 нм, кут підйому витка дорівнює 26 °. Формування та підтримання α -спіральної конфігурації відбувається за рахунок водневих зв'язків, що утворюються між пептидними групами кожного n-го та ( п+ 3)-го амінокислотних залишків. Хоча енергія водневих зв'язків мала, велика кількість їх призводить до значного енергетичного ефекту, внаслідок чого α -Спіральна конфігурація досить стійка. Бічні радикали амінокислотних залишків не беруть участь у підтримці α -спіральної конфігурації, тому всі амінокислотні залишки в α -Спіралі рівнозначні.
У природних білках існують лише правозакручені α -Спіралі.
β-Складчастий шар- Другий елемент вторинної структури. На відміну від α -спіралі β -Складчастий шар має лінійну, а не стрижневу форму (рис. 4). Лінійна структура утримується завдяки виникненню водневих зв'язків між пептидними угрупованнями, що стоять на різних ділянках поліпептидного ланцюга. Ці ділянки виявляються зближеними на відстань водневого зв'язку між С = О і HN - групами (0,272 нм).
Рис. 4. Схематичне зображення β
-складчастого шару (стрілками вказано
про напрямок поліпептидного ланцюга)
Рис. 3. Схема ( а) та модель ( б) α -спіралі
Вторинна структура білка визначається первинною. Амінокислотні залишки різною мірою здатні до утворення водневих зв'язків, це і впливає на утворення α -спіралі або β -Шари. До спіралетворних амінокислот відносяться аланін, глутамінова кислота, глутамін, лейцин, лізин, метіонін і гістидин. Якщо фрагмент білка складається головним чином із перерахованих вище амінокислотних залишків, то на даній ділянці сформується α -Спіраль. Валін, ізолейцин, треонін, тирозин та фенілаланін сприяють утворенню β -Шарів поліпептидного ланцюга. Неупорядковані структури виникають на ділянках поліпептидного ланцюга, де сконцентровані такі амінокислотні залишки як гліцин, серії, аспарагінова кислота, аспарагін, пролін.
У багатьох білках одночасно є і α -спіралі, та β -Шари. Частка спіральної конфігурації у різних білків різна. Так, м'язовий білок параміозин на 100% спіралізований; висока частка спіральної конфігурації у міоглобіну та гемоглобіну (75%). Навпаки, у трипсину та рибонуклеази значна частина поліпептидного ланцюга укладається у шаруваті β -структури. Білки опорних тканин - кератин (білок волосся), колаген (білок шкіри та сухожилля) - мають β -Конфігурацію поліпептидних ланцюгів.
Третинна структура білка.Третинна структура білка - це спосіб укладання поліпептидного ланцюга у просторі. Щоб білок придбав властиві йому функціональні властивості, поліпептидний ланцюг повинен певним чином звернутися у просторі, сформувавши функціонально активну структуру. Така структура називається нативний. Незважаючи на величезну кількість теоретично можливих для окремого поліпептидного ланцюга просторових структур, згортання білка призводить до утворення єдиної нативної конфігурації.
Стабілізують третинну структуру білка взаємодії, що виникають між бічними радикалами амінокислотних залишків різних ділянок поліпептидного ланцюга. Ці взаємодії можна поділити на сильні та слабкі.
До сильних взаємодій відносяться ковалентні зв'язки між атомами сірки залишків цистеїну, що стоять у різних ділянках поліпептидного ланцюга. Інакше такі зв'язки називаються дисульфідними мостами; утворення дисульфідного мосту можна зобразити таким чином:
Крім ковалентних зв'язків третинна структура білкової молекули підтримується слабкими взаємодіями, які, своєю чергою, поділяються на полярні та неполярні.
До полярних взаємодій відносяться іонні та водневі зв'язки. Іонні взаємодії утворюються при контакті позитивно заряджених груп бічних радикалів лізину, аргініну, гістидину та негативно зарядженої СООН-групи аспарагінової та глутамінової кислот. Водневі зв'язки виникають між функціональними групами бічних радикалів амінокислотних залишків.
Неполярні або ван-дер-ваальсові взаємодії між вуглеводневими радикалами амінокислотних залишків сприяють формуванню гідрофобного ядра (жирної краплі) усередині білкової глобули, т.к. вуглеводневі радикали прагнуть уникнути зіткнення з водою. Чим більше у складі білка неполярних амінокислот, тим більшу роль у формуванні його третинної структури грають ван-дер-ваальсові зв'язки.
Численні зв'язки між бічними радикалами амінокислотних залишків визначають просторову конфігурацію білкової молекули (рис. 5).
Рис. 5. Типи зв'язків, що підтримують третинну структуру білка:
а- дисульфідний місток; б -іонний зв'язок; в, г -водневі зв'язки;
д -ван-дер-ваальсові зв'язки
Третинна структура окремо взятого білка унікальна, як унікальна та її первинна структура. Тільки правильне просторове укладання білка робить його активним. Різні порушення третинної структури призводять до зміни властивостей білка та втрати біологічної активності.
Четвертична структура білка.Білки з молекулярною масою понад 100 кДа 1 складаються, як правило, з кількох поліпептидних ланцюгів із порівняно невеликою молекулярною масою. Структура, що складається з певної кількості поліпептидних ланцюгів, що займають строго фіксоване положення відносно один одного, внаслідок чого білок має ту чи іншу активність, називається четвертинною структурою білка. Білок, що має четвертинну структуру, називається епімолекулоюабо мультимером , а складові його поліпептидні ланцюги - відповідно субодиницями або протомірами . Характерною властивістю білків з четвертинною структурою є те, що окрема субодиниця не має біологічної активності.
Стабілізація четвертинної структури білка відбувається за рахунок полярних взаємодій між бічними радикалами амінокислотних залишків, локалізованих на поверхні субодиниць. Такі взаємодії міцно утримують субодиниці як організованого комплексу. Ділянки субодиниць, у яких відбуваються взаємодії, називаються контактними майданчиками.
Класичним прикладом білка, що має четвертинну структуру, є гемоглобін. Молекула гемоглобіну з молекулярною масою 68 000 Так складається з чотирьох субодиниць двох різних типів. α і β / α -Субодиниця складається з 141 амінокислотного залишку, a β - із 146. Третинна структура α - І β -субодиниць подібна, як і їхня молекулярна маса (17 000 Так). Кожна субодиниця містить простетичну групу гем . Оскільки гем є і в інших білках (цитохроми, міоглобін), які будуть вивчатися далі, хоча б коротко обговоримо структуру теми (рис. 6). Угруповання гема є складною копланарною циклічною системою, що складається з центрального атома, який утворює координаційні зв'язки з чотирма залишками піролу, сполученими метановими містками (= СН -). У гемоглобіні залізо зазвичай перебуває у стані окислення (2+).
Чотири субодиниці - дві α і дві β - з'єднуються в єдину структуру таким чином, що α -субодиниці контактують тільки з β -субодиницями і навпаки (рис. 7).
Рис. 6. Структура гему гемоглобіну
Рис. 7. Схематичне зображення четвертинної структури гемоглобіну:
Fe - гем гемоглобіну
Як видно з малюнка 7, одна молекула гемоглобіну здатна переносити 4 молекули кисню. І зв'язування, і визволення кисню супроводжується конформаційними змінами структури α - І β -субодиниць гемоглобіну та їх взаємного розташування в епімолекулі Цей факт свідчить про те, що четвертинна структура білка не є абсолютно твердою.
Подібна інформація.
водневими зв'язками
Розрізняють a-спіраль, b-структуру (клубок).
Структура α-спіралі була запропонована Paulingі Corey
колагені
b-Структура
Рис. 2.3. b-Структура
Структура має плоску форму паралельна b-структура; якщо у протилежному – антипаралельна b-структура
суперспіраль. протофібрил мікрофібрилидіаметром 10 нм.
Bombyx mori фіброїн
Невпорядкована конформація.
Надвторинна структура.
ПОДИВИТИСЯ ЩЕ:
СТРУКТУРНА ОРГАНІЗАЦІЯ БІЛКІВ
Доведено існування 4 рівнів структурної організації білкової молекули.
Первинна структура білка– послідовність розташування амінокислотних залишків у поліпептидному ланцюзі. У білках окремі амінокислоти пов'язані один з одним пептидними зв'язками, що виникають при взаємодії a-карбоксильних та a-аміногруп амінокислот
На цей час розшифрована первинна структура десятків тисяч різних білків. Для визначення первинної структури білка за методами гідролізу з'ясовують амінокислотний склад. Потім визначають хімічну природу кінцевих амінокислот. Наступний етап - визначення послідовності амінокислот у поліпептидному ланцюзі. Для цього використовують виборчий частковий (хімічний та ферментативний) гідроліз. Можливе застосування рентгеноструктурного аналізу, а також даних про комплементарну нуклеотидну послідовність ДНК.
Вторинна структура білка- Конфігурація поліпептидного ланцюга, тобто. спосіб упаковки поліпептидного ланцюга певну конформацію. Процес цей протікає не хаотично, а відповідно до програми, закладеної у первинній структурі.
Стабільність вторинної структури забезпечується переважно водневими зв'язками, проте певний внесок вносять ковалентні зв'язки – пептидні та дисульфідні.
Найімовірнішим типом будови глобулярних білків вважають a-спіраль. Закручування поліпептидного ланцюга відбувається за годинниковою стрілкою. Для кожного білка характерний певний ступінь спіралізації. Якщо ланцюги гемоглобіну спіралізовані на 75%, то пепсину всього на 30%.
Тип конфігурації поліпептидних ланцюгів, виявлених у білках волосся, шовку, м'язів, отримав назву b-структури.
Сегменти пептидного ланцюга розташовуються в один шар, утворюючи фігуру, подібну до листа, складеного в гармошку. Шар може бути утворений двома або велику кількість пептидних ланцюгів.
У природі існують білки, будова яких не відповідає ні β-, ні a-структурі, наприклад, колаген - фібрилярний білок, що становить основну масу сполучної тканини в організмі людини та тварин.
Третинна структура білка- Просторова орієнтація поліпептидної спіралі або спосіб укладання поліпептидного ланцюга в певному обсязі. Перший білок, третинну структуру якого було з'ясовано рентгеноструктурним аналізом — міоглобін кашалоту (рис. 2).
У стабілізації просторової структури білків, крім ковалентних зв'язків, основну роль відіграють нековалентні зв'язки (водневі, електростатичні взаємодії заряджених груп, міжмолекулярні ван-дер-ваальсові сили, гідрофобні взаємодії тощо).
За сучасними уявленнями, третинна структура білка після завершення його синтезу формується спонтанно. Основною рушійною силою є взаємодія радикалів амінокислот із молекулами води. При цьому неполярні гідрофобні радикали амінокислот занурюються всередину білкової молекули, а полярні радикали орієнтуються у бік води. Процес формування нативної просторової структури поліпептидного ланцюга називають фолдингом. З клітин виділено білки, названі шаперонів.Вони беруть участь у фолдингу. Описано ряд спадкових захворювань людини, розвиток яких пов'язують із порушенням внаслідок мутацій процесу фолдингу (пігментози, фібрози та ін.).
Методами рентгеноструктурного аналізу доведено існування рівнів структурної організації білкової молекули, проміжних між вторинною та третинною структурами. Домен- Це компактна глобулярна структурна одиниця всередині поліпептидного ланцюга (рис. 3). Відкрито багато білків (наприклад, імуноглобуліни), що складаються з різних за структурою та функціями доменів, що кодуються різними генами.
Всі біологічні властивості білків пов'язані зі збереженням їх третинної структури, яку називають нативний. Білкова глобула не є абсолютно жорсткою структурою: можливі оборотні переміщення частин пептидного кола. Ці зміни не порушують загальну конформацію молекули. На конформацію молекули білка впливають рН середовища, іонна сила розчину, взаємодія з іншими речовинами. Будь-які дії, що призводять до порушення нативної конформації молекули, супроводжуються частковою або повною втратою білком його біологічних властивостей.
Четвертична структура білка- спосіб укладання в просторі окремих поліпептидних ланцюгів, що володіють однаковою або різною первинною, вторинною або третинною структурою, та формування єдиного в структурному та функціональному відношенні макромолекулярної освіти.
Білкову молекулу, що складається з кількох поліпептидних ланцюгів, називають олігомером, а кожний ланцюг, що входить до нього. протоміром. Олігомерні білки частіше побудовані з парного числа протомерів, наприклад, молекула гемоглобіну складається з двох a- та двох b-поліпептидних ланцюгів (рис. 4).
Четвертичну структуру має близько 5% білків, у тому числі гемоглобін, імуноглобуліни. Субъединичное будова властиво багатьом ферментам.
Білкові молекули, що входять до складу білка з четвертинною структурою, утворюються на рибосомах окремо і лише після закінчення синтезу утворюють загальну надмолекулярну структуру. Біологічну активність білок набуває лише при об'єднанні протомерів, що входять до його складу. У стабілізації четвертинної структури беруть участь самі типи взаємодій, що у стабілізації третинної.
Деякі дослідники визнають існування п'ятого рівня структурної організації білків. Це метаболониполіфункціональні макромолекулярні комплекси різних ферментів, що каталізують весь шлях перетворень субстрату (синтетази вищих жирних кислот, піруватдегідрогеназний комплекс, дихальний ланцюг).
Вторинна структура білка
Вторинна структура – спосіб укладання поліпептидного ланцюга у впорядковану структуру. Вторинна структура визначається первинною структурою. Оскільки первинна структура генетично детермінована, формування вторинної структури може відбуватися при виході поліпептидного ланцюга рибосоми. Вторинна структура стабілізується водневими зв'язками, які утворюються між NH- та СО-групами пептидного зв'язку.
Розрізняють a-спіраль, b-структурута невпорядковану конформацію (клубок).
Структура α-спіралі була запропонована Paulingі Corey(1951). Це різновид вторинної структури білка, що має вигляд регулярної спіралі (рис. 2.2). α-Спіраль – це паличкоподібна структура, в якій пептидні зв'язки розташовані всередині спіралі, а бічні радикали амінокислот – зовні. a-Спіраль стабілізована водневими зв'язками, які паралельні осі спіралі та виникають між першим та п'ятим амінокислотними залишками. Таким чином, у протяжних спіральних ділянках кожен амінокислотний залишок бере участь у формуванні двох водневих зв'язків.
Рис. 2.2. Структура -спіралі.
На один виток спіралі припадає 3,6 амінокислотних залишків, крок спіралі 0,54 нм, на один амінокислотний залишок припадає 0,15 нм. Кут підйому спіралі 26 °. Період регулярності a-спіралі дорівнює 5 виткам або 18 амінокислотним залишкам. Найпоширеніші праві a-спіралі, тобто. закручування спіралі йде за годинниковою стрілкою. Утворенню a-спіралі перешкоджає пролін, амінокислоти із зарядженим та об'ємними радикалами (електростатичну та механічну перешкоду).
Інша форма спіралі присутня в колагені . В організмі ссавців колаген – переважний у кількісному відношенні білок: він становить 25% від загального білка. Колаген присутній у різних формах, насамперед, у сполучній тканині. Це ліва спіраль з кроком 0,96 нм і 3,3 залишку в кожному витку, більш полога порівняно з α-спіраллю. На відміну від α-спіралі утворення водневих містків тут неможливе. Колаген має незвичайний амінокислотний склад: 1/3 становить гліцин, приблизно 10% пролін, а також гідроксипролін та гідроксилізин. Останні дві амінокислоти утворюються після біосинтезу колагену шляхом посттрансляційної модифікації. У структурі колагену постійно повторюється триплет гли-X-Y, причому положення Х часто займає пролін, а Y – гідроксилізін. Є вагомі підстави тому, що колаген повсюдно присутній у вигляді правої потрійної спіралі, скрученої трьох первинних лівих спіралей. У потрійній спіралі кожен третій залишок виявляється у центрі, де зі стеричних причин міститься лише глицин. Уся молекула колаген має довжину близько 300 нм.
b-Структура(b-складчастий шар). Зустрічається у глобулярних білках, а також у деяких фібрилярних білках, наприклад, фіброїн шовку (рис. 2.3).
Рис. 2.3. b-Структура
Структура має плоску форму. Поліпептидні ланцюги майже повністю витягнуті, а не туго скручені, як у a-спіралі. Площини пептидних зв'язків розташовані в просторі подібно до рівномірних складок аркуша паперу.
Вторинна структура поліпептидів та білків
Стабілізується водневими зв'язками між СО- та NH-групами пептидних зв'язків сусідніх поліпептидних ланцюгів. Якщо поліпептидні ланцюги, що утворюють b-структуру, йдуть в одному напрямку (тобто збігаються С- і N-кінці) – паралельна b-структура; якщо у протилежному – антипаралельна b-структура. Бічні радикали одного шару розміщуються між бічними радикалами іншого шару. Якщо один поліпептидний ланцюг згинається і йде паралельно до себе, то це антипаралельна b-крос-структура. Водневі зв'язки у b-крос-структурі утворюються між пептидними групами петель поліпептидного ланцюга.
Зміст a-спіралей у білках, вивчених на цей час, вкрай варіабельний. У деяких білках, наприклад, міоглобіні та гемоглобіні, a-спіраль лежить в основі структури і становить 75%, у лізоцимі – 42%, у пепсині лише 30%. Інші білки, наприклад, травний фермент хімотрипсин, практично позбавлені a-спіральної структури і значна частина поліпептидного ланцюга укладається в шаруваті b-структури. Білки опорних тканин колаген (білок сухожилля, шкіри), фіброїн (білок натурального шовку) мають b-конфігурацію поліпептидних ланцюгів.
Доведено, що утворенню α-спіралі сприяють глу, ала, лей, а β-структури – мет, вал, мулі; у місцях вигину поліпептидного ланцюга – гли, про, асн. Вважають, що шість згрупованих залишків, чотири з яких сприяють утворенню спіралі, можна як центр спіралізації. Від цього центру йде зростання спіралей в обох напрямках до ділянки – тетрапептиду, що складається із залишків, що перешкоджають утворенню цих спіралей. При формуванні β-структури роль затравок виконують три амінокислотні залишки з п'яти, що сприяють утворенню β-структури.
У більшості структурних білків переважає одна з вторинних структур, що визначається їх амінокислотним складом. Структурним білком, побудованим переважно як α-спіралі, є α-кератин. Волосся (шерсть), пір'я, голки, кігті та копита тварин складаються головним чином з кератину. Як компонент проміжних філаментів кератин (цитокератин) є найважливішою складовою цитоскелета. У кератинах більшість пептидного ланцюга згорнута в праву α-спіраль. Два пептидні ланцюги утворюють єдину ліву суперспіраль.Суперспіралізовані димери кератину поєднуються в тетрамери, які агрегують з утворенням протофібрилдіаметром 3 нм. Нарешті, вісім протофібрил утворюють мікрофібрилидіаметром 10 нм.
Волосся побудоване з таких самих фібрил. Так, в окремому волокні вовни діаметром 20 мкм переплетені мільйони фібрил. Окремі ланцюги кератину скріплені поперечно численними дисульфідними зв'язками, що надає їм додаткової міцності. При хімічній завивці відбуваються такі процеси: спочатку шляхом відновлення тіолами руйнуються дисульфідні містки, а потім для надання волоссю необхідної форми їх висушують при нагріванні. При цьому за рахунок окиснення киснем повітря утворюються нові дисульфідні містки, які зберігають форму зачіски.
Шовк отримують з коконів гусениць тутового шовкопряда ( Bombyx mori) та споріднених видів. Основний білок шовку, фіброїнмає структуру антипаралельного складчастого шару, причому самі шари розташовуються паралельно один одному, утворюючи численні пласти. Так як у складчастих структурах бічні ланцюги амінокислотних залишків орієнтовані вертикально вгору і вниз, у проміжках між окремими шарами можуть бути лише компактні угруповання. Фактично фіброїн складається на 80% із гліцину, аланіну та серину, тобто. трьох амінокислот, що характеризуються мінімальними розмірами бічних ланцюгів. Молекула фіброїну містить типовий повторюваний фрагмент (глі-ала-глі-ала-глі-сер)n.
Невпорядкована конформація.Ділянки білкової молекули, які не належать до спіральних чи складчастих структур, називають невпорядкованими.
Надвторинна структура.Альфа-спіральні та бета-структурні ділянки в білках можуть взаємодіяти один з одним та між собою, утворюючи ансамблі. Надвторинні структури, що зустрічаються в нативних білках, - енергетично найбільш переважні. До них відносять суперспіралізовану α-спіраль, у якій дві α-спіралі скручені відносно один одного, утворюючи ліву суперспіраль (бактеріородопсин, гемеритрін); α-спіральні та β-структурні фрагменти поліпептидного ланцюга, що чергуються (наприклад, βαβαβ-ланка за Россманом, знайдено в НАД+-зв'язувальній ділянці молекул ферментів дегідрогеназ); Антипаралельна триланцюгова β-структура (βββ) називається β-зигзаг і виявлена в ряді ферментів мікроорганізмів, найпростіших та хребетних.
Попередня234567891011121314151617Наступна
ПОДИВИТИСЯ ЩЕ:
Вторинна структура білків
Пептидні ланцюги білків організовані у вторинну структуру, стабілізовану водневими зв'язками. Атом кисню кожної пептидної групи утворює при цьому водневий зв'язок з NH-групою, відповідної пептидного зв'язку. При цьому формуються такі структури: а-спіраль, b-структура та b-вигин. а-Спіраль.Однією з найбільш термодинамічно вигідних структур є права аспіраль. а-спіраль, що представляє стійку структуру, в якій кожна карбонільна група утворює водневий зв'язок з четвертою по ходу ланцюга NH-групою.
Білки: Вторинна структура білків
У а-спіралі на один її виток припадає 3,6 амінокислотного залишку, крок спіралі становить приблизно 0,54 нм, а відстань між залишками - 0,15 нм. L-Амінокислоти можуть утворювати лише праві а-спіралі, причому бічні радикали розташовані по обидва боки осі та звернені назовні. В аспіралі повністю використана можливість утворення водневих зв'язків, тому вона не здатна на відміну від b-структури утворювати водневі зв'язки з іншими елементами вторинної структури. При утворенні а-спіралі бічні ланцюги амінокислот можуть зближуватись, утворюючи гідрофобні або гідрофільні компактні сайти. Ці сайти відіграють істотну роль при утворенні тривимірної конформації білкової макромолекули, оскільки використовуються для пакування а-спіралей у просторовій структурі білка. Спіраль-клубок.Зміст аспіралей в білках неоднаково і є індивідуальною особливістю кожної білкової макромолекули. Для деяких білків, наприклад для міоглобіну, а-спіраль лежить в основі структури, інші, наприклад, хімотрипсин, не мають а-спіралізованих ділянок. У середньому глобулярні білки мають ступінь спіралізації близько 60-70%. Спіралізовані ділянки чергуються з хаотичними клубками, причому в результаті денатурації переходи спіраль-клубок збільшуються. Спіралізація поліпептидного ланцюга залежить від амінокислотних залишків, що її утворюють. Так, негативно заряджені групи глутамінової кислоти, розташовані в безпосередній близькості один від одного, відчувають сильне взаємне відштовхування, що перешкоджає утворенню відповідних водневих зв'язків в аспіралі. З тієї ж причини спіралізація ланцюга утруднена в результаті відштовхування близько розташованих позитивно заряджених хімічних угруповань лізину або аргініну. Великі розміри радикалів амінокислот також є причиною, через яку спіралізація поліпептидного ланцюга утруднена (серін, треонін, лейцин). Найчастіше інтерферуючим фактором при утворенні а-спіралі є амінокислота пролін. Крім того, пролін не утворює внутрішньоланцюжковий водневий зв'язок через відсутність при атомі азоту водневого атома. Таким чином, у всіх випадках, коли в поліпептидному ланцюгу зустрічається пролін, а-спіральна структура порушується і утворюється клубок або (b-вигин). b-Структура.На відміну від а-спіралі, b-структура утворена за рахунок міжланцюжковихводневих зв'язків між сусідніми ділянками поліпептидного ланцюга, так як внутрішньоланцюжкові контакти відсутні. Якщо ці ділянки направлені в один бік, то така структура називається паралельною, якщо в протилежну, то антипаралельною. Поліпептидний ланцюг у b-структурі сильно витягнутий і має не спіральну, а швидше зигзагоподібну форму. Відстань між сусідніми аміно-кислотними залишками по осі становить 0,35 нм, тобто втричі більше, ніж в а-спіралі, кількість залишків на виток дорівнює 2. У разі паралельного розташування b-структури водневі зв'язки менш міцні порівняно з такими при антипаралельному розташуванні амінокислотних залишків. На відміну від а-спіралі, насиченої водневими зв'язками, кожна ділянка поліпептидного ланцюга в b-структурі відкрита для утворення додаткових водневих зв'язків. Сказане відноситься як до паралельної, так і до антипаралельної b-структури, проте в антипаралельной структурі зв'язку більш стабільні. У відрізку поліпептидного ланцюга, що утворює b-структуру, знаходиться від трьох до семи амінокислотних залишків, а сама b-структура складається з 2-6 ланцюгів, хоча їх число може бути і великим. b-Структура має складчасту форму, що залежить від відповідних а-вуглецевих атомів. Поверхня її може бути плоскою і лівозакрученою таким чином, щоб кут між окремими відрізками ланцюга становив 20-25о. b-Вигин.Глобулярні білки мають кулясту форму багато в чому завдяки тому, що для поліпептидного ланцюга характерна наявність петель, зигза-гів, шпильок, причому напрям ланцюга може змінюватися навіть на 180 °. У останньому випадку має місце b-вигин. Цей вигин формою нагадує шпильку для волосся і стабілізується одним водневим зв'язком. Чинником, що перешкоджає його утворенню, можуть бути великі бічні радикали, і тому часто спостерігається включення до нього найменшого амінокислотного залишку - гліцину. Ця конфігурація виявляється завжди на поверхні білкової глобули, у зв'язку з чим B-вигин бере участь у взаємодії з іншими поліпептидними ланцюгами. Супервторинні структури.Вперше супервторинні структури білків були постульовані і потім виявлені Л. Полінгом та Р. Корі. Як приклад можна навести суперспіралізовану а-спіраль, у якій дві а-спіралі скручені в ліву суперспіраль. Однак частіше суперспіральні структури включають як а-спіралі, так і b-складчасті листи. Їх склад може бути представлений наступним чином: (аа), (аb), (bа) та (bХb). Останній варіант являє собою два паралельні складчасті листи, між якими знаходиться статистичний клубок (bСb). Співвідношення між вторинною і супервторинною структурами має високий ступінь варіабільності і залежить від індивідуальних особливостей тієї чи іншої білкової макромолекули. Домени — складніші рівні організації вторинної структури. Вони є відокремленими глобулярними ділянками, з'єднаними один з одним короткими так званими шарнірними ділянками поліпеп-тидного ланцюга. Д. Бірктофт одним із перших описав доменну організацію хімотрипсину, відзначивши наявність двох доменів у цього білка.
Вторинна структура білка
Вторинна структура – спосіб укладання поліпептидного ланцюга у впорядковану структуру. Вторинна структура визначається первинною структурою. Оскільки первинна структура генетично детермінована, формування вторинної структури може відбуватися при виході поліпептидного ланцюга рибосоми. Вторинна структура стабілізується водневими зв'язками, які утворюються між NH- та СО-групами пептидного зв'язку.
Розрізняють a-спіраль, b-структурута невпорядковану конформацію (клубок).
Структура α-спіралі була запропонована Paulingі Corey(1951). Це різновид вторинної структури білка, що має вигляд регулярної спіралі.
Конформація поліпептидного кола. Вторинна структура поліпептидного ланцюга
2.2). α-Спіраль – це паличкоподібна структура, в якій пептидні зв'язки розташовані всередині спіралі, а бічні радикали амінокислот – зовні. a-Спіраль стабілізована водневими зв'язками, які паралельні осі спіралі та виникають між першим та п'ятим амінокислотними залишками. Таким чином, у протяжних спіральних ділянках кожен амінокислотний залишок бере участь у формуванні двох водневих зв'язків.
Рис. 2.2. Структура -спіралі.
На один виток спіралі припадає 3,6 амінокислотних залишків, крок спіралі 0,54 нм, на один амінокислотний залишок припадає 0,15 нм. Кут підйому спіралі 26 °. Період регулярності a-спіралі дорівнює 5 виткам або 18 амінокислотним залишкам. Найпоширеніші праві a-спіралі, тобто. закручування спіралі йде за годинниковою стрілкою. Утворенню a-спіралі перешкоджає пролін, амінокислоти із зарядженим та об'ємними радикалами (електростатичну та механічну перешкоду).
Інша форма спіралі присутня в колагені . В організмі ссавців колаген – переважний у кількісному відношенні білок: він становить 25% від загального білка. Колаген присутній у різних формах, насамперед, у сполучній тканині. Це ліва спіраль з кроком 0,96 нм і 3,3 залишку в кожному витку, більш полога порівняно з α-спіраллю. На відміну від α-спіралі утворення водневих містків тут неможливе. Колаген має незвичайний амінокислотний склад: 1/3 становить гліцин, приблизно 10% пролін, а також гідроксипролін та гідроксилізин. Останні дві амінокислоти утворюються після біосинтезу колагену шляхом посттрансляційної модифікації. У структурі колагену постійно повторюється триплет гли-X-Y, причому положення Х часто займає пролін, а Y – гідроксилізін. Є вагомі підстави тому, що колаген повсюдно присутній у вигляді правої потрійної спіралі, скрученої трьох первинних лівих спіралей. У потрійній спіралі кожен третій залишок виявляється у центрі, де зі стеричних причин міститься лише глицин. Уся молекула колаген має довжину близько 300 нм.
b-Структура(b-складчастий шар). Зустрічається у глобулярних білках, а також у деяких фібрилярних білках, наприклад, фіброїн шовку (рис. 2.3).
Рис. 2.3. b-Структура
Структура має плоску форму. Поліпептидні ланцюги майже повністю витягнуті, а не туго скручені, як у a-спіралі. Площини пептидних зв'язків розташовані в просторі подібно до рівномірних складок аркуша паперу. Стабілізується водневими зв'язками між СО- та NH-групами пептидних зв'язків сусідніх поліпептидних ланцюгів. Якщо поліпептидні ланцюги, що утворюють b-структуру, йдуть в одному напрямку (тобто збігаються С- і N-кінці) – паралельна b-структура; якщо у протилежному – антипаралельна b-структура. Бічні радикали одного шару розміщуються між бічними радикалами іншого шару. Якщо один поліпептидний ланцюг згинається і йде паралельно до себе, то це антипаралельна b-крос-структура. Водневі зв'язки у b-крос-структурі утворюються між пептидними групами петель поліпептидного ланцюга.
Зміст a-спіралей у білках, вивчених на цей час, вкрай варіабельний. У деяких білках, наприклад, міоглобіні та гемоглобіні, a-спіраль лежить в основі структури і становить 75%, у лізоцимі – 42%, у пепсині лише 30%. Інші білки, наприклад, травний фермент хімотрипсин, практично позбавлені a-спіральної структури і значна частина поліпептидного ланцюга укладається в шаруваті b-структури. Білки опорних тканин колаген (білок сухожилля, шкіри), фіброїн (білок натурального шовку) мають b-конфігурацію поліпептидних ланцюгів.
Доведено, що утворенню α-спіралі сприяють глу, ала, лей, а β-структури – мет, вал, мулі; у місцях вигину поліпептидного ланцюга – гли, про, асн. Вважають, що шість згрупованих залишків, чотири з яких сприяють утворенню спіралі, можна як центр спіралізації. Від цього центру йде зростання спіралей в обох напрямках до ділянки – тетрапептиду, що складається із залишків, що перешкоджають утворенню цих спіралей. При формуванні β-структури роль затравок виконують три амінокислотні залишки з п'яти, що сприяють утворенню β-структури.
У більшості структурних білків переважає одна з вторинних структур, що визначається їх амінокислотним складом. Структурним білком, побудованим переважно як α-спіралі, є α-кератин. Волосся (шерсть), пір'я, голки, кігті та копита тварин складаються головним чином з кератину. Як компонент проміжних філаментів кератин (цитокератин) є найважливішою складовою цитоскелета. У кератинах більшість пептидного ланцюга згорнута в праву α-спіраль. Два пептидні ланцюги утворюють єдину ліву суперспіраль.Суперспіралізовані димери кератину поєднуються в тетрамери, які агрегують з утворенням протофібрилдіаметром 3 нм. Нарешті, вісім протофібрил утворюють мікрофібрилидіаметром 10 нм.
Волосся побудоване з таких самих фібрил. Так, в окремому волокні вовни діаметром 20 мкм переплетені мільйони фібрил. Окремі ланцюги кератину скріплені поперечно численними дисульфідними зв'язками, що надає їм додаткової міцності. При хімічній завивці відбуваються такі процеси: спочатку шляхом відновлення тіолами руйнуються дисульфідні містки, а потім для надання волоссю необхідної форми їх висушують при нагріванні. При цьому за рахунок окиснення киснем повітря утворюються нові дисульфідні містки, які зберігають форму зачіски.
Шовк отримують з коконів гусениць тутового шовкопряда ( Bombyx mori) та споріднених видів. Основний білок шовку, фіброїнмає структуру антипаралельного складчастого шару, причому самі шари розташовуються паралельно один одному, утворюючи численні пласти. Так як у складчастих структурах бічні ланцюги амінокислотних залишків орієнтовані вертикально вгору і вниз, у проміжках між окремими шарами можуть бути лише компактні угруповання. Фактично фіброїн складається на 80% із гліцину, аланіну та серину, тобто. трьох амінокислот, що характеризуються мінімальними розмірами бічних ланцюгів. Молекула фіброїну містить типовий повторюваний фрагмент (глі-ала-глі-ала-глі-сер)n.
Невпорядкована конформація.Ділянки білкової молекули, які не належать до спіральних чи складчастих структур, називають невпорядкованими.
Надвторинна структура.Альфа-спіральні та бета-структурні ділянки в білках можуть взаємодіяти один з одним та між собою, утворюючи ансамблі. Надвторинні структури, що зустрічаються в нативних білках, - енергетично найбільш переважні. До них відносять суперспіралізовану α-спіраль, у якій дві α-спіралі скручені відносно один одного, утворюючи ліву суперспіраль (бактеріородопсин, гемеритрін); α-спіральні та β-структурні фрагменти поліпептидного ланцюга, що чергуються (наприклад, βαβαβ-ланка за Россманом, знайдено в НАД+-зв'язувальній ділянці молекул ферментів дегідрогеназ); Антипаралельна триланцюгова β-структура (βββ) називається β-зигзаг і виявлена в ряді ферментів мікроорганізмів, найпростіших та хребетних.
Попередня234567891011121314151617Наступна
ПОДИВИТИСЯ ЩЕ:
БІЛКИ Варіант 1 А1. Структурною ланкою білків є: …
5 - 9 класи
БІЛКИ
Варіант 1
А1.Структурним ланкою білків є:
А)
Аміни
В)
Амінокислоти
Б)
Глюкоза
Г)
Нуклеотиди
А2. Освіта спіралі характеризує:
А)
Первинну структуру білка
В)
Третинну структуру білка
Б)
Вторинну структуру білка
Г)
Четвертичну структуру білка
А3. Чинність яких факторів викликає незворотну денатурацію білка?
А)
Взаємодія з розчинами солей свинцю, заліза, ртуті
Б)
Вплив на білок концентрованим розчином азотної кислоти
В)
Сильне нагрівання
Г)
Усі перелічені фактори вірні
А4. Вкажіть, що спостерігається під час впливу на розчини білків концентрованої азотної кислоти:
А)
Випадання білого осаду
В)
Червоно-фіолетове фарбування
Б)
Випадання чорного осаду
Г)
Жовте фарбування
А5. Білки, що виконують каталітичну функцію, називаються:
А)
Гормонами
В)
Ферментами
Б)
Вітаміни
Г)
Протеїнами
А6. Білок гемоглобін виконує таку функцію:
А)
Каталітичну
В)
Будівельну
Б)
захисну
Г)
Транспортну
Частина Б
Б1. Співвіднесіть:
Тип білкової молекули
Властивість
1)
Глобулярні білки
А)
Молекула згорнута в клубок
2)
Фібрилярні білки
Б)
Не розчиняються у воді
В)
У воді розчиняються або утворюють колоїдні розчини
Г)
Ниткоподібна структура
Вторинна структура
Білки:
А)
Побудовані із залишків амінокислот
Б)
Містять у своєму складі тільки вуглець, водень та кисень
В)
Гідролізуються в кислотному та лужному середовищі
Г)
Здатні до денатурації
Д)
Є полісахаридами
Е)
Є природними полімерами
Частина С
З 1. Напишіть рівняння реакцій, за допомогою яких з етанолу та неорганічних речовин можна отримати гліцин.
Вторинна структура – спосіб укладання поліпептидного ланцюга у впорядковану структуру. Вторинна структура визначається первинною структурою. Оскільки первинна структура генетично детермінована, формування вторинної структури може відбуватися при виході поліпептидного ланцюга рибосоми. Вторинна структура стабілізується водневими зв'язками, які утворюються між NH- та СО-групами пептидного зв'язку.
Розрізняють a-спіраль, b-структурута невпорядковану конформацію (клубок).
Структура α-спіралі була запропонована Paulingі Corey(1951). Це різновид вторинної структури білка, що має вигляд регулярної спіралі (рис. 2.2). α-Спіраль – це паличкоподібна структура, в якій пептидні зв'язки розташовані всередині спіралі, а бічні радикали амінокислот – зовні. a-Спіраль стабілізована водневими зв'язками, які паралельні осі спіралі та виникають між першим та п'ятим амінокислотними залишками. Таким чином, у протяжних спіральних ділянках кожен амінокислотний залишок бере участь у формуванні двох водневих зв'язків.
Рис. 2.2. Структура -спіралі.
На один виток спіралі припадає 3,6 амінокислотних залишків, крок спіралі 0,54 нм, на один амінокислотний залишок припадає 0,15 нм. Кут підйому спіралі 26 °. Період регулярності a-спіралі дорівнює 5 виткам або 18 амінокислотним залишкам. Найпоширеніші праві a-спіралі, тобто. закручування спіралі йде за годинниковою стрілкою. Утворенню a-спіралі перешкоджає пролін, амінокислоти із зарядженим та об'ємними радикалами (електростатичну та механічну перешкоду).
Інша форма спіралі присутня в колагені . В організмі ссавців колаген – переважний у кількісному відношенні білок: він становить 25% від загального білка. Колаген присутній у різних формах, насамперед, у сполучній тканині. Це ліва спіраль з кроком 0,96 нм і 3,3 залишку в кожному витку, більш полога порівняно з α-спіраллю. На відміну від α-спіралі утворення водневих містків тут неможливе. Колаген має незвичайний амінокислотний склад: 1/3 становить гліцин, приблизно 10% пролін, а також гідроксипролін та гідроксилізин. Останні дві амінокислоти утворюються після біосинтезу колагену шляхом посттрансляційної модифікації. У структурі колагену постійно повторюється триплет гли-X-Y, причому положення Х часто займає пролін, а Y – гідроксилізін. Є вагомі підстави тому, що колаген повсюдно присутній у вигляді правої потрійної спіралі, скрученої трьох первинних лівих спіралей. У потрійній спіралі кожен третій залишок виявляється у центрі, де зі стеричних причин міститься лише глицин. Уся молекула колаген має довжину близько 300 нм.
b-Структура(b-складчастий шар). Зустрічається у глобулярних білках, а також у деяких фібрилярних білках, наприклад, фіброїн шовку (рис. 2.3).
Рис. 2.3. b-Структура
Структура має плоску форму. Поліпептидні ланцюги майже повністю витягнуті, а не туго скручені, як у a-спіралі. Площини пептидних зв'язків розташовані в просторі подібно до рівномірних складок аркуша паперу. Стабілізується водневими зв'язками між СО- та NH-групами пептидних зв'язків сусідніх поліпептидних ланцюгів. Якщо поліпептидні ланцюги, що утворюють b-структуру, йдуть в одному напрямку (тобто збігаються С- і N-кінці) – паралельна b-структура; якщо у протилежному – антипаралельна b-структура. Бічні радикали одного шару розміщуються між бічними радикалами іншого шару. Якщо один поліпептидний ланцюг згинається і йде паралельно до себе, то це антипаралельна b-крос-структура. Водневі зв'язки у b-крос-структурі утворюються між пептидними групами петель поліпептидного ланцюга.
Зміст a-спіралей у білках, вивчених на цей час, вкрай варіабельний. У деяких білках, наприклад, міоглобіні та гемоглобіні, a-спіраль лежить в основі структури і становить 75%, у лізоцимі – 42%, у пепсині лише 30%. Інші білки, наприклад, травний фермент хімотрипсин, практично позбавлені a-спіральної структури і значна частина поліпептидного ланцюга укладається в шаруваті b-структури. Білки опорних тканин колаген (білок сухожилля, шкіри), фіброїн (білок натурального шовку) мають b-конфігурацію поліпептидних ланцюгів.
Доведено, що утворенню α-спіралі сприяють глу, ала, лей, а β-структури – мет, вал, мулі; у місцях вигину поліпептидного ланцюга – гли, про, асн. Вважають, що шість згрупованих залишків, чотири з яких сприяють утворенню спіралі, можна як центр спіралізації. Від цього центру йде зростання спіралей в обох напрямках до ділянки – тетрапептиду, що складається із залишків, що перешкоджають утворенню цих спіралей. При формуванні β-структури роль затравок виконують три амінокислотні залишки з п'яти, що сприяють утворенню β-структури.
У більшості структурних білків переважає одна з вторинних структур, що визначається їх амінокислотним складом. Структурним білком, побудованим переважно як α-спіралі, є α-кератин. Волосся (шерсть), пір'я, голки, кігті та копита тварин складаються головним чином з кератину. Як компонент проміжних філаментів кератин (цитокератин) є найважливішою складовою цитоскелета. У кератинах більшість пептидного ланцюга згорнута в праву α-спіраль. Два пептидні ланцюги утворюють єдину ліву суперспіраль.Суперспіралізовані димери кератину поєднуються в тетрамери, які агрегують з утворенням протофібрилдіаметром 3 нм. Нарешті, вісім протофібрил утворюють мікрофібрилидіаметром 10 нм.
Волосся побудоване з таких самих фібрил. Так, в окремому волокні вовни діаметром 20 мкм переплетені мільйони фібрил. Окремі ланцюги кератину скріплені поперечно численними дисульфідними зв'язками, що надає їм додаткової міцності. При хімічній завивці відбуваються такі процеси: спочатку шляхом відновлення тіолами руйнуються дисульфідні містки, а потім для надання волоссю необхідної форми їх висушують при нагріванні. При цьому за рахунок окиснення киснем повітря утворюються нові дисульфідні містки, які зберігають форму зачіски.
Шовк отримують з коконів гусениць тутового шовкопряда ( Bombyx mori) та споріднених видів. Основний білок шовку, фіброїнмає структуру антипаралельного складчастого шару, причому самі шари розташовуються паралельно один одному, утворюючи численні пласти. Так як у складчастих структурах бічні ланцюги амінокислотних залишків орієнтовані вертикально вгору і вниз, у проміжках між окремими шарами можуть бути лише компактні угруповання. Фактично фіброїн складається на 80% із гліцину, аланіну та серину, тобто. трьох амінокислот, що характеризуються мінімальними розмірами бічних ланцюгів. Молекула фіброїну містить типовий фрагмент, що повторюється (глі-ала-глі-ала-глі-сер) n .
Невпорядкована конформація.Ділянки білкової молекули, які не належать до спіральних чи складчастих структур, називають невпорядкованими.
Надвторинна структура.Альфа-спіральні та бета-структурні ділянки в білках можуть взаємодіяти один з одним та між собою, утворюючи ансамблі. Надвторинні структури, що зустрічаються в нативних білках, - енергетично найбільш переважні. До них відносять суперспіралізовану α-спіраль, у якій дві α-спіралі скручені відносно один одного, утворюючи ліву суперспіраль (бактеріородопсин, гемеритрін); α-спіральні та β-структурні фрагменти поліпептидного ланцюга, що чергуються (наприклад, βαβαβ-ланка за Россманом, знайдено в НАД + -зв'язувальній ділянці молекул ферментів дегідрогеназ); Антипаралельна триланцюгова β-структура (βββ) називається β-зигзаг і виявлена в ряді ферментів мікроорганізмів, найпростіших та хребетних.
§ 8. ПРОСТОРА ОРГАНІЗАЦІЯ БІЛКОВОЇ МОЛЕКУЛИ
Первинна структура
Під первинною структурою білка розуміють кількість і порядок чергування амінокислотних залишків, з'єднаних один з одним пептидними зв'язками, поліпептидного ланцюга.
Поліпептидний ланцюг на одному кінці містить вільний, що не бере участі в утворенні пептидного зв'язку, NH 2 -групу, ця ділянка позначається як N-кінець. На протилежному боці розташовується вільна, що не бере участі в утворенні пептидного зв'язку, НООС-група, це – С-кінець. За початок ланцюга приймається N-кінець, саме з нього починається нумерація амінокислотних залишків:
Амінокислотну послідовність інсуліну встановив Ф. Сенгер (Кембриджський університет). Цей білок складається із двох поліпептидних ланцюгів. Один ланцюг складається з 21 амінокислотного залишку, інший ланцюг – з 30. Ланцюги пов'язані двома дисульфідними містками (рис.6).
Рис. 6. Первинна структура інсуліну людини
На розшифровку цієї структури було витрачено десять років (1944 – 1954 рр.). В даний час первинна структура визначена у багатьох білків, процес її визначення автоматизований і не є серйозною проблемою для дослідників.
Інформація про первинну структуру кожного білка закодована в гені (ділянці молекули ДНК) і реалізується в ході транскрипції (переписування інформації на мРНК) та трансляції (синтезу поліпептидного ланцюга). У зв'язку з цим можна встановити первинну структуру білка також за відомою структурою гена.
По первинній структурі гомологічних білків можна будувати висновки про таксономическом спорідненості видів. До гомологічним білкам відносяться ті білки, які у різних видів виконують однакові функції. Такі білки мають схожі амінокислотні послідовності. Наприклад, білок цитохром З більшості видів має відносну молекулярну масу близько 12500 і містить близько 100 амінокислотних залишків. Відмінності в первинній структурі цитохрому З двох видів пропорційні філогенетичної різниці між цими видами. Так цитохроми З коня та дріжджів відрізняються по 48 амінокислотних залишках, курки та качки – по двох, цитохроми ж курки та індички ідентичні.
Вторинна структура
Вторинна структура білка формується через утворення водневих зв'язків між пептидними групами. Розрізняють два типи вторинної структури: α-спіраль та β-структура (або складчастий шар). У білках можуть бути також ділянки поліпептидного ланцюга, що не утворюють вторинну структуру.
α-Спіраль формою нагадує пружину. При формуванні α-спіралі атом кисню кожної пептидної групи утворює водневий зв'язок з атомом водню четвертого по ходу ланцюга NH-групи:
Кожен виток спіралі пов'язаний із наступним витком спіралі декількома водневими зв'язками, що надає структурі значної міцності. α-Спіраль має такі характеристики: діаметр спіралі 0,5 нм, крок спіралі – 0,54 нм, на один виток спіралі припадає 3,6 амінокислотних залишків (рис. 7).
Рис. 7. Модель a-спіралі, що відображає її кількісні характеристики
Бічні радикали амінокислот спрямовані назовні від спіралі (рис. 8).
Рис. 8. Модель -спіралі, що відображає просторове розташування бічних радикалів
З природних L-амінокислот може бути побудована як права, так і ліва -спіраль. Більшість природних білків характерна права спіраль. З D-амінокислот також можна побудувати як ліву, і праву спіраль. Поліпептидний ланцюг, що складається з суміші D-і L-амінокислотних залишків, не здатна утворювати спіраль.
Деякі амінокислотні залишки перешкоджають утворенню α-спіралі. Наприклад, якщо в ланцюгу поспіль розташовано кілька позитивно або негативно заряджених амінокислотних залишків, така ділянка не прийме α-спіральної структури через взаємне відштовхування однойменно заряджених радикалів. Ускладнюють утворення спіралі радикали амінокислотних залишків, що мають великі розміри. Перешкодою для утворення α-спіралі є також наявність у поліпептидному ланцюгу залишків проліну (рис. 9). У залишку проліну при атомі азоту, що утворює пептидний зв'язок з іншою амінокислотою, немає атома водню.
Рис. 9. Залишок проліну перешкоджає утворенню -спіралі
Тому залишок проліну, що входить до складу поліпептидного ланцюга, не здатний утворювати внутрішньоланцюговий водневий зв'язок. Крім того, атом азоту в пролині входить до складу жорсткого кільця, що унеможливлює обертання навколо зв'язку N – C та утворення спіралі.
Крім α-спіралі описані інші типи спіралей. Однак вони зустрічаються рідко, переважно на коротких ділянках.
Утворення водневих зв'язків між пептидними групами сусідніх поліпептидних фрагментів ланцюгів призводить до формування β-структури, або складчастого шару:
На відміну від α-спіралі складчастий шар має зигзагоподібну форму, схожу на гармошку (рис. 10).
Рис. 10. β-Структура білка
Розрізняють паралельні та антипаралельні складчасті шари. Паралельні β-структури утворюються між ділянками поліпептидного ланцюга, напрямки яких збігаються:
Антипаралельні β-структури утворюються між протилежно спрямованими ділянками поліпептидного ланцюга:
β-Структури можуть формуватися більш ніж між двома поліпептидними ланцюгами:
У складі одних білків вторинна структура може бути представлена лише α-спіраллю, в інших – тільки β-структурами (паралельними, або антипаралельними, або й тими, та іншими), у третіх поряд з α-спіралізованими ділянками можуть бути присутніми і β-структури.
Третинна структура
У багатьох білків вторинно організовані структури (α-спіралі, -структури) згорнуті певним чином компактну глобулу. Просторова організація глобулярних білків зветься третинної структури. Таким чином, третинна структура характеризує тривимірне розташування ділянок поліпептидного ланцюга у просторі. У формуванні третинної структури беруть участь іонні та водневі зв'язки, гідрофобні взаємодії, ван-дер-ваальсові сили. Стабілізують третинну структуру дисульфідні містки.
Третинна структура білків визначається їх амінокислотною послідовністю. При її формуванні зв'язку можуть виникати між амінокислотами, розташованими в поліпептидному ланцюзі на значній відстані. У розчинних білків полярні радикали амінокислот, як правило, опиняються на поверхні білкових молекул і рідше – усередині молекули, гідрофобні радикали виявляються компактно упакованими всередині глобули, утворюючи гідрофобні ділянки.
Нині третинна структура багатьох білків встановлено. Розглянемо два приклади.
Міоглобін
Міоглобін – кисень-зв'язуючий білок із відносною масою 16700. Його функція – запасання кисню у м'язах. У його молекулі є один поліпептидний ланцюг, що складається з 153 амінокислотних залишків, і гемогрупа, що грає важливу роль у зв'язуванні кисню.
Просторова організація міоглобіну встановлена завдяки роботам Джона Кендр'ю та його колег (рис. 11). У молекулі цього білка присутні 8 α-спіральних ділянок, їх частку припадає 80 % всіх амінокислотних залишків. Молекула міоглобіну дуже компактна, всередині неї може вміститися всього чотири молекули води, майже всі полярні радикали амінокислот розташовані на зовнішній поверхні молекули, більша частина гідрофобних радикалів розташована всередині молекули, поблизу поверхні знаходиться гем – небілкова група, відповідальна за зв'язування кисню.
Рис.11. Третинна структура міоглобіну
Рибонуклеаза
Рибонуклеаза – глобулярний білок. Вона секретується клітинами підшлункової залози, це фермент, що каталізує розщеплення РНК. На відміну від міоглобіну, молекула рибонуклеази має дуже мало α-спіральних ділянок і досить велику кількість сегментів, що знаходяться в β-конформації. Міцність третинної структури білка надають 4 дисульфідні зв'язки.
Четвертична структура
Багато білків складаються з декількох, двох або більше, білкових субодиниць, або молекул, що володіють певною вторинною та третинною структурами, що утримуються разом за допомогою водневих та іонних зв'язків, гідрофобних взаємодій, ван-дер-ваальсових сил. Така організація білкових молекул зветься четвертинної структури, а самі білки називають олігомірними. Окрема субодиниця, або білкова молекула, у складі олігомерного білка називається протоміром.
Число протомерів в олігомерних білках може варіювати в широких межах. Наприклад, креатинкіназа складається з 2 протомерів, гемоглобін – з 4 протомерів, РНК-полімераза E.coli – фермент, відповідальний за синтез РНК – з 5 протомерів, піруватдегідрогеназний комплекс – з 72 протомерів. Якщо білок і двох протомерів, його називають димером, чотирьох – тетрамером, шести – гексамером (рис. 12). Найчастіше в молекулі олігомерного білка міститься 2 або 4 протоміри. До складу олігомерного білка можуть входити однакові або різні протоміри. Якщо до складу білка входять два ідентичні протоміри, то це – гомодимер, якщо різні – гетеродимер.
Рис. 12. Олігомерні білки
Розглянемо організацію молекули гемоглобіну. Основна функція гемоглобіну полягає у транспорті кисню з легень у тканині та вуглекислого газу у зворотному напрямку. Його молекула (рис. 13) складається з чотирьох поліпептидних ланцюгів двох різних типів – двох α-ланцюгів та двох β-ланцюгів і гема. Гемоглобін є білком, спорідненим з міоглобіном. Вторинна та третинна структури міоглобіну та протомерів гемоглобіну дуже подібні. Кожен протомер гемоглобіну містить, як і міоглобін, 8 -спіралізованих ділянок поліпептидного ланцюга. При цьому слід зазначити, що в первинних структурах міоглобіну та протомери гемоглобіну ідентичні лише 24 амінокислотні залишки. Отже, білки, що значно відрізняються за первинною структурою, можуть мати подібну просторову організацію та виконувати подібні функції.
Рис. 13. Структура гемоглобіну
Під вторинною структурою білка мають на увазі конфігурацію поліпептидного ланцюга, тобто. спосіб згортання, скручування (складання, упаковка) поліпептидного ланцюга в спіральну або будь-яку іншу конформацію. Процес цей протікає не хаотично, а відповідно до програмою, закладеною у первинній структурі білка. Детально вивчені дві основні конфігурації поліпептидних ланцюгів, що відповідають структурним вимогам та експериментальним даним:
- a-спіралі,
- β-структури.
Найбільш ймовірним типом будови глобулярних білків прийнято вважати a-Спіраль.Закручування поліпептидного ланцюга відбувається за годинниковою стрілкою (правий хід спіралі), що зумовлено L-амінокислотним складом природних білків.
Рушійною силоюу виникненні a-спіралей (як і β-структур) є здатність амінокислот до утворення водневих зв'язків.
У структурі a-спіралей відкрито низка закономірностей:
- На кожен виток (крок) спіралі припадає 3,6 амінокислотних залишків.
- Крок спіралі (відстань вздовж осі) дорівнює 0,54 нм на виток, але в один амінокислотний залишок припадає 0,15 нм.
- Кут підйому спіралі 26°, через 5 витків спіралі (18 амінокислотних залишків) структурна конфігурація поліпептидного ланцюга повторюється. Це означає, що період повторюваності (або ідентичності) a-спіральної структури становить 2,7 нм.
Інший тип конфігурації поліпептидних ланцюгів, виявлений у білках волосся, шовку, м'язів та інших фібрилярних білках, отримав назву β-структури.У цьому випадку два або більше лінійні поліпептидні ланцюги, розташовані паралельно або, частіше, антипаралельно, міцно зв'язуються міжланцюжковими водневими зв'язками між -NH- та -СО-групами сусідніх ланцюгів, утворюючи структуру типу складчастого шару.
Схематичне зображення β-структур поліпептидних ланцюгів.
У природі існують білки, будова яких, проте, відповідає ні β-, ні a-структурі. Типовим прикладом таких білків є колаген- фібрилярний білок, що становить основну масу сполучної тканини в організмі людини та тварин.
Методами рентгеноструктурного аналізу нині доведено існування ще двох рівнів структурної організації білкової молекули, які виявилися проміжними між вторинною та третинною структурами. Це так звані надвторинні структури та структурні домени.
Надвторинні структуриявляють собою агрегати поліпептидних ланцюгів, що мають власну вторинну структуру і утворюються в деяких білках в результаті їх термодинамічної або кінетичної стабільності. Так, у глобулярних білках відкриті (βхβ)-елементи (представлені двома паралельними β-ланцюгами, пов'язаними сегментом х), βaβaβ-елементи (представлені двома сегментами α-спіралі, вставленими між трьома паралельними β-ланцюгами) та ін.
Доменна будова глобулярного білка (флаводоксину) (за А. А. Болдирєвим)
Домен- Це компактна глобулярна структурна одиниця всередині поліпептидного ланцюга. Домени можуть виконувати різні функції та піддаватися складання (згортання) у незалежні компактні глобулярні структурні одиниці, з'єднані між собою гнучкими ділянками всередині білкової молекули.
