Строение белковой молекулы . Полипептидное строение белков

 Первая  группа (альфа-белки) включает те белки, в которых преобладают а-спирали. Сюда, в частности, относятся гемоглобин, миоглобин, кальцийсвязы-вающие белки.

Вторая  группа (бета-белки) содержит белки, построенные в основном из антипараллельных бета-слоев, например конканавалин А — лектин из канавалии мечевидной, рубредоксин — простейший железосерный белок, переносчик электронов, химотрипсин.

К третьей  группе принадлежат альфа + бета-белки, у них имеются участки, целиком построенные из а-спиралей, и участки, целиком состоящие из р-слоев, в основном антипараллельных. Примерами такого типа белков являются: папаин — протеолитический фермент из плодов дынного дерева, термолизин, инсулин, цитохром bs, рибонуклеаза, лизоцим.

 Четвертая  группа — это альфа/бета белки, в них спирали и структуры чередуются по ходу цепи. Большинство бета-структур, преимущественно параллельных, оказывается локализованным в центральной части молекулы, где эти структуры изгибаются в виде пропеллера («твист»-структуры), образуя жесткую «основу», с которой связаны остальные участки молекулы К белкам четвертой группы принадлежат карбоксипептидаза, гексокиназа, фосфоглицераткиназа, триозофосфатизомераза, субтилизин, актатдегидрогеназа, малатдегидрогеназа.

В пятую группу входят домены без  выраженной вторичной структуры. Пространственная структура белка значительно более консервативна, чем его аминокислотный состав.

Третичная структура. Третичная структура характеризует пространственное расположение упорядоченных и аморфных участков в полипептидной цепи в целом, которое достигается за счет взаимодействия боковых радикалов и зависит от их типа и конформации.

Таким образом, третичная структура описывает  пространственнную укладку всей молекулы белка, если она образована одной полипептидной цепью. Третичная структура имеет прямое отношение к форме молекул белка, которая может быть различной: от шарообразной до нитевидной. Форма белковой молекулы характеризуется таким показателем, как степень асимметрии, (отношение длинной оси молекулы к короткой).

К нитевидным, или фибриллярным, белкам относят белки, имеющие степень асимметрии 80 и выше, это фиброин шелка, кератин волос, рогов, копыт, коллаген соединительной ткани и некоторые другие белки.

При степени  асимметрии менее 80 белки относят  к глобулярным; большинство из них имеет степень асимметрии 3—5. Таким образом, у глобулярных белков третичная структура характеризуется достаточно плотной упаковкой полипептидной цепи в виде клубкообразной молекулы, приближающейся по форме к шару. В поддержании третичной структуры глобулярных белков, ее закреплении принимают участие различные типы связей

Преимущественную роль и формировании третичной структуры отводят гидрофобным взаимодействиям, возникающим между неполярными бокоными радикалами аминокислот.

Ковалентные связи, участвующие в поддержании третичной структуры белка, представлены дисульфидными и пептидными связями, последние образованы за счет амино- и карбоксильных групп боковых радикалов аминокислот. Дисульфидные связи возникают между двумя близко расположенными SH-группами боковых цепей цистеина. К замыканию ковалентных дисульфидных связей (—S—S—) приводит окисление сульфгидрильных (тиольных) групп в присутствии кислорода или некоторых других реагентов. In vivo эти связи образуются самопроизвольно, если тиольные группы в результате пространственной укладки полипептиднои цепи оказываются расположенными рядом, т. е. дисульфидные связи стабилизируют конформацию молекулы, но не определяют характер свертывания полипептидной цепи. Дисульфидные связи наиболее часто встречаются в секретируемых белках (змеиные яды, пептидные гормоны, пищеварительные ферменты, белки молока и др.).

Наличием  большого числа дисульфидных мостиков в фибриллярных белках (например, кератине), способных к взаимному превращению с сульфгидрильньши группами, т. е. к временному разрыву и образованию заново, отчасти объясняются свойства вязкости и эластичности этих белков. Дисульфидные мостики никогда не образуются между соседними остатками цистеина.

Солевые, или ионные, связи возникают между группами белков, имеющими противоположные заряды, т. е. между боковыми радикалами аминокислот, диссоциированными по кислотному и основному типам. В качестве основных групп могут выступать е-аминогруппа лизина, гуанидиновая группа аргинина, имидазольная группа гистидина (один из его атомов азота обладает основными свойствами, другой — кислотными). Помимо гистидина кислотными группами в белках могут быть (бета-карбоксильная группа асп и гамма-карбоксильная — глу.

 Группы, способные к ионизации, и полярные группы аминокислот обычно находятся на поверхности белковой глобулы и реже встречаются внутри Заряженные группы на поверхности белковой глобулы обычно сольватированы и окружены противоионами, что увеличивает растворимость белков в водной среде.

Полярные  боковые радикалы аминокислот, находящиеся  внутри белковой молекулы, обычно образуют водородные связи между гобой или с полипептидным остовом.

Нахождение  заряженных групп внутри глобулы  энергетически невыгодно, поэтому  они там встречаются редко  и тогда  образуют солевые мостики. Гидрофобные боковые радикалы, не имеющие сродства к воде, оказываются компактно упакованными, в основном, внутри глобулы, образуя гидрофобные области, стабилизирующие третичную структуру молекулы. В связи с этим диэлектрическая проницаемость внутри белковой глобулы значительно меньше, чем у воды. Гидрофобные области (ядра) в центре белковой глобулы имеют высокую плотность упаковки, характерную для многих кристаллов. Более низкая плотность упаковки получена для поверхностных участков молекулы, например, активных центров ферментов, что согласуется с предположением о подвижности центров. В среднем плотность упаковки белковой молекулы тоже достаточно высока, что свидетельствует об эффективном использовании не-ковалентных сил при организации пространственной структуры белковой молекулы. Небольшая часть неполярных радикалов может находиться на поверхности молекулы, и, скапливаясь, образовывать гидрофобные кластеры. Таким образом, в целом поверхность белковой глобулы мозаична: в основном гидрофильна, но содержит и небольшие неполярные участки. Только после приобретения белком нативной третичной структуры он проявляет свою специфическую функциональную активность.

Пространственной  структурой белка и взаимным расположением отдельных групп определяются биологические функции белковой молекулы в организме.

  Активные центры ферментов, центры, связывающие лиганды, ответственные за встраивание данного белка в мультиферментный комплекс и самосборку надмолекулярных структур, а также антигенные детерминанты белка образуются из пространственно сближенных групп при формировании третичной структуры.

Например, сходная  биологическая функция гемоглобина и миоглобина, обусловленная их способностью обратимо связывать кислород, объясняется сходством третичной структуры их полипептидных цепей. Активные центры у мономерчых ферментов формируются в процессе свертывания полипептиднои цепи, причем у мультидоменных ферментов активные центры включают участки всех структурных доменов данного глобулярного белка, в результате чего активный центр оказывается расположенным между ними. Фибриллярные белки выполняют в организме, в основном, структурную функцию. Это плохо растворимые или нерастворимые белки, отличающиеся высоким содержанием неполярных аминокислолот. К ним принадлежат, например, белки соединительных и растительных тканей, волос, кожи, некоторые белки клеточных олочек растений, водорослей и ряд других белков. Молекулы фибрилярных белков построены чаще всего из нескольких полипептидных нитей, имеющих структуру спирали (альфа-кератины, миозин), бета -складчатых слоев (бета -кератины, фиброин) или скрученную в особый вид спирали (коллагены).

Образование полипептидными нитями длинных, вытянутых по форме молекул и  будет в целом характеризовать  третичную структуру фибриллярных белков. Коллаген входит в состав соединительной ткани животных и человека, где образует так называемые нити или коллагеновые волокна. Они построены из фибрилл , структурной единицей которых, в свою очередь, является тропоколлаген. Молекула тропоколлагена (М 300 000) состоит из трех полипептидных нитей, каждая из которых скручена в плотную левую спираль с тремя аминокислотными остатками в витке. Три цепи вместе слегка закручены в правую спираль и образуют молекулу тропоколлагена диаметром 1,5 нм и длиной 300 нм. Взаиморасположение пептидных цепей в молекуле стабилизируется водородными связями между пептидными группами соседних цепей и ковалентными связями между лизином, гидроксилизином, аллизином и гидроксиаллизином

Для тропоколлагена характерно высокое содержание глицина (1/3) и иминокислот (пролин, гидрокси-пролин — 21%); в большом количестве встречается аланин (11%).

  В составе коллагенов в небольшом  количестве обнаружен 5-гидроксилизин, редко встречающийся в других белках.

Фибриллы коллагена образуются из молекул тропоколлагена при их соединении «конец к концу» и «бок о бок». В кипящей воде коллаген частично растворяется, образуя раствор желатины, который при охлаждении переходит в гель.

 Белки  волос, рогов, кожи, перьев {альфа-кератины} состоят из 3—7 полипептидных цепей, включающих приблизительно 100 аминокислотных остатков и имеющих альфа-спиральную конфигурацию. Полипептидные цепи, связанные дисульфидными мостиками, скручиваясь вместе, образуют левую суперспираль; из суперспиральных структур формируются микрофибриллы диаметром около 2 нм. При обработке альфа-кератинов горячим паром нарушается система внутрицепочечных водородных связей в каждой полипептидной нити, и при их растягивании они переходят в состояние бета-складчатых слоев (бета-кератин). В бета-кератине водородные связи образуются между отдельными полипептидными нитями.

Повторяющейся единицей кератинов является последовательность:—  цис — цис - глу — про — сер

Сходную с бета-кератином пространственную структуру имеет фиброин шелка. Этот белок богат глицином, серином и аланином. В фиброине соседние цепи антипараллельны: С- и N-концы у них не совпадают; S—S-связи между цепями отсутствуют. Фиброин щелка состоит, в основном, из следующей периодически повторяющейся последовательности:—гли—сер—гли—ала—гли—ала—. При образовании складчатой структуры все боковые группы ала и сер оказываются по одну сторону цепи, а гли — по другую. Структура, сходная с альфа-кератином, лежит в основе мышечных белков миозина и тропомиозина. Волокнистый фибриллярный белок обнаружен в опорных структурах у диатомовых водорослей, он наряду с SiO₂ принимает участие в образовании скелета диатомей. Этот белок помимо гидроксипролина содержит дигидроксипролин, а также другие редкие аминокислоты.

 В  опорных белках кораллов, губок, медуз обнаружены бромтирозин, иод-тирозин. В состав первичной клеточной стенки высших растений входит фибриллярный белок экстенсин, очень богатый гидроксипролином (до 33%). Экстенсин существует в виде жестко закрученной левой спирали. Этот белок связан с гемицеллюлозой клеточных стенок за счет гликозидной связи между арабинозой или галактозой и гидроксипролином. В наружном скелете насекомых обнаружен белок ресилин, богатый гли и ала. Он не содержит гидроксипролина и серосодержащих аминокислот, чем напоминает фиброин шелка.

Четвертичная структура.

Четвертичную структуру имеют  те белки, молекула которых состоит  из двух и более полипептидных  цепей, связанных нековалентно.

Четвертичная  структура характерна, как правило, для белков, относительная молекулярная масса которых больше 50 000—100 000. Белки, имеющие четвертичную структуру, называются олигомерными. Под четвертичной структурой понимают способ взаимного расположения в пространстве отдельных полипептидных. цепей в молекуле, характер связей_между ними.

 Каждая  отдельная полипептидная цепь  в составе молекулы белка с  четвертичной структурой называется  протомером или субъединицей. Термин субъединица некоторые авторы используют только по отношению к части молекулы, обладающей функциональной активностью. Она может быть представлена как одним протомером, так и несколькими.

 К  белкам с четвертичной структурой  относят иногда и сложные надмолеку-лярные белковые структуры, в которых объединяются до нескольких сотен субъединиц, например, жгутики бактерий, головки вирусов и т. д. Такие белки предлагают также называть мультимерными. Объединение протомеров в любом неопределенном количестве, не ведущее к появлению новых биологических свойств белка, называют в отличие от четвертичной структуры агрегированным состоянием.

 Большинство внутриклеточных  белков является олигомерными, внеклеточные белки — мономеры с небольшой молекулярной массой, белки плазмы крови — крупные мономеры.

Такая взаимосвязь в строении и локализации белков, очевидно, не случайна. Мономерность внеклеточных белков, например ферментов пищеварительного тракта, лизоцима слюны, связывается с неопределенностью судьбы молекул и, как следствие, целесообразностью существования большого числа независимых единиц. Большая молекулярная масса белков — мономеров плазмы крови (>60000) — препятствует их фильтрации и выделению почками, легкому проникновению во внешнее пространство. Примером такого белка служит сывороточный альбумин, содержащий несколько функциональных доменов. Присутствие большого числа различных олигомерных белков внутри клетки снижает осмотическое давление в ней, вязкость, кроме того, олигомерные белки хорошо регулируются эффекторами .Биологический смысл олигомерности белков связан также с тем, что для их кодирования требуется меньше генетического материала в том случае, если все или некоторые субъединицы белковой молекулы идентичны. У таких олигомеров существует меньшая вероятность возникновения дефектных молекул, чем у крупных мономеров с той же молекулярной массой. Дефектные субъединицы в процессе диссоциации и реассоциацип устраняются. Наиболее часто в олигомерной белковой молекуле насчитывается две или четыре субъединицы, реже 6, 8 и больше или нечетное число. Взаимное расположение отдельных субъединиц в молекулах белков с четвертичной структурой, а также в надмолекулярных белковых структурах может быть различным, оно зависит от формы субъединиц, их числа и отвечает минимуму свободной энергии

. Спиральные структуры разных типов из белковых субъединиц представляют собой нити актина мышечного волокна, вирионы некоторых вирусов, жгутики бактерий и др.