Строение белковой молекулы . Полипептидное строение белков

Углерод не способен к образованию водородных связей, потому что его электроотрицательность значительно меньше, чем у О или N, она довольно близка к Н. Поэтому углеводородные цепи гидрофобны, они с трудом проникают в воду, так как не могут разорвать ее водородные связи. У соединений с группами —ОН, —NH₂, —СООН,  xopoшо выражена способность к образованию водородных связей, они гидрофильны.

Единичные водородные связи, образованные в водном растворе, очень слабы, что объясняется конкуренцией молекул воды с молекулами растворенного вещества за образование водородных связей. Однако если в макромолекуле существует большое число водородных связей, возникает очень большая их суммарная прочность. Это явление называют кооперативностыо водородных связей.

 Не менее важны  в стабилизации структуры биополимеров  и их функционировании гидрофобные  взаимодействия.

Молекулы  воды, стремясь образовывать между  собой водородные связи, выталкивают гидрофобные группы и молекулы, находящиеся в воде, заставляя их скучиваться, образовывать ассоциаты. Этот процесс идет самопроизвольно, свободная энергия системы при этом уменьшается, так как слой воды у поверхности гидрофобных групп по сравнению с остальной массой воды имеют большую степень структурированности, меньшую энтропию (мера неупорядоченности), а при объединении гидрофобных групп их общая поверхность уменьшается. При этом никаких особенных связей между гидрофобными группами или молекулами не образуется (возможно только возникновение ван-дер-ваальсовых сил притяжения), вследствие чего чаще говорят о гидрофобных взаимодействиях, а не связях.

 Наиболее слабые связи между молекулами обусловлены дисперсионными силами ван-дер-ваальсова притяжения (иногда их называют ван-дер-ваальсовыми связями). Они возникают только на достаточно малом расстоянии между молекулами и имеют в основе кулоновские силы электростатического притяжения. Ядра внутри электронных оболочек атомов находятся в постоянном колебательном движении, поэтому возможно временное смещение электронных орбит относительно ядра, что ведет к образованию диполя. Последние существуют короткое время, но оно достаточно для возникновения согласованной ориентации между молекулами. Следует иметь в виду, что в направлении, противоположном дисперсионным силам притяжения, действует взаимное отталкивание электронных оболочек валентно-несвязанных атомов. С другой стороны, поскольку ковалентные связи между разными типами атомов приводят к асимметричному распределению валентных электронов, большинство атомов молекулы несет парциальные заряды.

Так как  суммарный заряд нейтральной  молекулы равен нулю, она может  приближенно рассматриваться как  набор диполей или мультиполей, между которыми возникают электростатические взаимодействия. Для удобства вычислений обычно объединяют три перечисленные невалентные силы (ван-дер-ваальсово притяжение, отталкивание электронных оболочек и электростатические взаимодействия) в одно силовое поле — потенциал Ван-дер-Ваальса. Такого рода потенциалы позволяют определить возможные контактные расстояния пар атомов — ван-дер-ваальсовы радиусы. Принято считать, что силы ван-дер-ваальсовых взаимодействий обратно пропорциональны шестой степени расстояния между взаимодействующими группами. Энергия этих взаимодействий находится в пределах 4—8 кДж/моль, возможная длина таких связей — 0,33— 0,45 нм (самая большая из всех типов слабых взаимодействий). Ван-дер-ваальсовы силы имеют большое биологическое значение, так как они играют определенную роль в процессах самосборки биологических макромолекул и структур, при взаимодействии между белками и другими биополимерами, в стабилизации третичной и четвертичной структур биополимеров.

В результате взаимодействия резко  отличающихся по свойствам атомов (например, металлов и металлоидов) образуются ионные связи.

При этом один атом (катион) отдает электрон другому  атому, так что образовавшаяся пара электронов принадлежит только ему (аниону). Наиболее легко отдают электроны атомы щелочных металлов, максимальное сродство к электронам проявляют атомы галогенов. В основе ионной связи лежит электростатическое взаимодействие. Средняя энергия ионной связи в водных растворах составляет около 21 кДж/моль, длина колеблется в пределах 0,20—0,33 нм. Ионные силы очень важны при взаимодействиях между молекулами. Например, притяжение между группами —СОО^- и —NH₂ имеет большое значение в процессе взаимодействия между молекулами белка. Катион Са²⁺, обладающий двойным зарядом, может играть роль «мостика», соединяющего две карбоксильные группы. Существенным аспектом всех ионных взаимодействий в водных растворах является гидратация ионов. Каждый ион в воде окружен диполями воды, строго ориентированными по отношению к нему. Гидратация ионов оказывает большое влияние на их взаимодействие в растворе, определяет наряду с другими факторами силу кислот и оснований, прочность связи катионов металлов с отрицательно заряженными группами и др. Известно, что во многих случаях заряд ионизированной органической молекулы нейтрализуется или неорганическими катионами (Na⁺, K⁺, Mg²⁺ и др.), или неорганическими анионами (С1^-, S0₄^2- и др.). В водных растворах такие нейтрализующие ионы не могут занимать фиксированное положение вследствие своей гидратированности. Поэтому в водных растворах ионные взаимодействия с гидратированными неорганическими ионами обычно не играют существенной роли при определении конфигурации органических молекул. Важнейшая особенность и вместе с тем достоинство перечисленных слабых взаимодействий состоит в том, что их энергия (4— 30 кДж/моль) не превышает значительно кинетическую энергию теплового движения (2,5 кДж/моль). Этого небольшого превышения вполне достаточно, чтобы при физиологических температурах возникали относительно прочные вторичные связи между молекулами. Однако поскольку разница между энергией слабых взаимодействий и кинетической энергией теплового движения невелика, их разрушение и образование происходят без участия ферментов.

 Так  как в распределении кинетической  энергии молекул наблюдается  большой разброс, при физиологических  температурах всегда существуют молекулы, кинетическая энергия которых достаточна для разрушения слабых связей. Это придает межмолекулярным взаимодействиям определенную лабильность. В противном случае клетка имела бы жесткую структуру типа кристаллической, скорость диффузии была бы очень низкой, а это несовместимо с существованием живой клетки.

В частности, удивительно  высокая активность ферментативного  катализа, в известной мере, связана  с тем, что фермент-субстратные  комплексы образуются с участием слабых взаимодействий, поэтому эти  комплексы возникают и распадаются быстро даже под влиянием беспорядочного теплового движения.

. Вторичная структура.

Вторичная структура—это  упорядоченное пространственное расположение отдельных участков полипептидной цепи без учета типа и конформации боковых радикалов аминокислот.

Она образуется за счет замыкания водородных связей между пептидными группами. Вторичная структура представлена в основном такими регулярными структурами как альфа-спираль, складчатые слои (бета-структура), бета-изгиб.

  Часть полипептиднои цепи не имеет упорядоченного строения, такие участки называют аморфными или бесструктурными областями.

 В альфа -спиральных участках и участках с бета -складчатой структурой все последовательно расположенные пептидные звенья полипептидной цепи имеют идентичные взаимные ориентации. В таком случае участок полипептидной цепи имеет линейную структуру, которая формируется из линейных групп.

Линейная группа представляет собой виток спирали.. Спираль с числом элементов в витке менее двух невозможна. В белках обнаружено несколько типов линейных групп, не имеющих стерических затруднений; они стабилизированы водородными связями либо в пределах одного участка полипептидной цепи (спираль), либо между соседними участками ((складчатая структура). Когда торсионные углы близки к —60, —45°, вторичная структура представлена правыми альфа -спиралями. Этот тип спирали, описанный Л. Полингом, обладает наименьшей свободной энергией, наиболее «выгоден» с учетом ограничений, налагаемых геометрией пептидной связи и допустимыми изменениями углов. В спирали все водородные связи примерно параллельны оси спирали и коллинеарны друг другу, что отвечает минимуму свободной энергии; каждая карбонильная группа образует водородную связь с четвертой по ходу цепи NH-группой. При образовании спиралей замыкается максимально возможное число водородных связей, что придает прочность этой структуре.Спираль характеризуется следующими параметрами: число

.аминокислотных  остатков на виток спирали  — 3,6; число атомов в витке,  замыкаемом водородной связью, —  13.

В природных белках обнаружены только правые альфа-спирали. Боковые радикалы аминокислот в альфа-спирали обращены наружу и расположены по разные стороны от ее оси. Неполярные боковые радикалы аминокислот обычно группируются на одной стороне альфа-спирали, образуя неполярные дуги; это создает условия для сближения разных спиральных участков. Кроме альа-спирали описаны и другие типы спиральных структур.

. Складчатые структуры полипептидной цепи Следует оговориться, что хотя при описании вторичной структуры белков складчатые структуры отличают от спиральных, и те и другие фактически являются спиральными; только в случае складчатых структур эта спираль сильно вытянута. В складчатых цепях число остатков на виток равно2 (в плоском складчатом слое) или 2,3 (в

слегка  скрученном слое).

Складчатые  участки полипептидной цепи проявляют кооперативные свойства., т. е. стремятся расположиться рядом в белковой молекуле, и формируют параллельные и антипараллельные бета-складчатые слои, или листы, которые укрепляются благодаря водородным связям между складчатыми участками цепи.

Антипараллельность цепей создает наиболее благоприятные условия для возникновения водородных связей между ними при участии пептидных групп. В случае параллельного расположения цепей в структуре складчатого р-слоя водородные связи между цепями менее прочны.

. Складчатые слои могут образовываться  не только одной полипептидной  цепью (при этом водородные  связи будут внутри данной  цепи), но и группой близко расположенных  полипептидных цепей в молекуле (водородные связи будут замыкаться  между цепями). Структура второго  типа характерна для таких  фибриллярных белков, как фиброин  шелка, кератин волос, состоящих  из нескольких полипептидных цепей. У глобулярных белков в формировании складчатой структуры принимает участие обычно около 15% аминокислотных остатков полипептидной цепи. Большинство складчатых слоев содержит менее шести цепей. Как правило, складчатые слои не являются плоскими, для них характерна небольшая левая закрученность.

 На некоторых участках  белковой цепи встречается нерегулярная  укладка аминокислотных остатков  в пространстве, которая также  удерживается благодаря водородным  связям и гидрофобным взаимодействиям.  Такие области в белковой молекуле  называются неупорядоченными, бесструктурными  или аморфными. 

 Сверхвторичная структура и домены.

 альфа-Спиральные и бета-структурные участки в белках могут взаимодействовать друг с другом и между собой, образуя ансамбли. Пространственное строение таких ансамблей вторичной структуры называют сверхвторичной структурой белковой молекулы. Встречающиеся в нативных белках сверхвторичные структуры — энергетически наиболее предпочтительны. Пример сверхвторичной структуры — суперспирализованная а-спираль, в которой две а-спирали скручены друг относительно друга, образуя левую суперспираль Короткие участки этой сверхвторичной структуры встречаются в глобулярных белках (бактериородопсин, гемэритрин), а чаще и в наиболее упорядоченной форме — в фибриллярных белках. Су-перспирализация выгодна энергетически, так как между боковыми радикалами аминокислот, принадлежащих разным а-спиралям, образуются дополнительные нековалентные контакты (ван-дер-ваальсовые).

Следующим уровнем организации, присущим крупным  глобулярным белкам, являются домены. Они представляют собой структурно и функционально обособленные области (субобласти) молекулы, соединенные друг с другом короткими участками полипептидной цепи, которые называются шарнирными участками.

 Большинство  крупных глобулярных белков можно  разделить ца несколько структурных доменов, содержащих 100—150 аминокислотных остатков и имеющих диаметр около 2,5 нм.

 Структурные домены обнаружены, например, у фермента глутатионредуктазы, катализирующего переход окисленного глутатиона в восстановленный (трипептид глу-цис-гли}. Этот фермент является димером, т.е. его молекула построена из двух полипептидных цепей — субъединиц. Каждая из субъединиц, в свою очередь, состоит из трех структурных доменов, выполняющих свою определенную функцию при действии фермента. Для ряда ферментов показано, что в углублении между доменами располагается активный центр.

В некоторых  глобулярных белках (сериновые протеиназы, им-муноглобулины) структурные домены в молекуле очень сходны, что наводит на мысль о дупликации генов. Сходные структурные до. мены могут встречаться и в разных белках, например, НАД+.свя-зывающии домен в дегидрогеназах. Во всех глобулярных белках, состоящих из доменов, существует высокая степень сродства между близко расположенными по цепи аминокислотными остатками. На основании этого предполагают, что домены формируются независимо друг от друга, что упрощает процесс укладки макромолекул.

 Структурные  домены и белки по организации вторичной структуры полипептидной цепи, т. е. по количеству спиралей и структур, характеру их расположения в доменах предложено разделять на пять классов или групп .