Структурная организация белка

Структурная организация  белка. 
Автор – доцент Рыскина Е.А.

История изучения структуры  белка

 

• Лайнус Полинг считается первым учёным, который смог успешно предсказать вторичную структуру белков.
• Позднее Уолтер Каузман внёс весомый вклад в понимание законов образования третичной структуры белков и роли в этом процессе гидрофобных взаимодействий.
• В 1949 году Фред Сенгер определил аминокислотную последовательность инсулина, продемонстрировав таким способом, что белки — это линейные полимеры аминокислот, а не их разветвлённые (как у некоторых сахаров) цепи.
• Первые структуры белков, основанные на дифракции рентгеновских лучей на уровне отдельных атомов были получены в 1960-х годах и с помощью ЯМР в 1980-х годах.
• В 2006 году Банк данных о белках (Protein Data Bank) содержал около 40 000 структур белков.

Современное изучение  структуры белка

 

• В XXI веке исследование белков перешло на качественно новый уровень, когда исследуются не только индивидуальные белки, но и одновременное изменение количества и посттрансляционные модификации большого числа белков отдельных клеток, тканей или организмов. Эта область биохимии называется протеомикой.

 

•  С помощью методов биоинформатики стало возможно не только обработать данные рентгенно-структурного анализа, но и предсказать структуру белка, основываясь на его аминокислотной последовательности.

 

• В настоящее время электронная микроскопия больших белковых комплексов и предсказание малых белков и доменов больших белков с помощью компьютерных программ по точности приближаются к разрешению структур на атомном уровне.

Первичная структура белков

 

• Молекулы белка трехмерны и имеют несколько уровней организации.
• Первичная структура – порядок чередования (последовательность) аминокислот в полипептидной цепи, соединенных между собой пептидными связями.
• Первичная структура индивидуальна для различных белков.

 

 
Конформация  белков

 

• Линейные полипептидные цепи белков за счет взаимодействия функциональных групп аминокислот приобретают определенную пространственную структуру, называемую «конформация».
• Все молекулы белков, имеющих одинаковую первичную структуру имеют одинаковую конформацию.
• В белках различают 2 основных типа конформации полипептидных цепей: вторичную и третичную структуры.

Вторичная структура 
Между присутствующими в полимерной цепи имино-группами HN и карбонильными группами CO возникают водородные связи в результате молекула белка приобретает определенную пространственную форму, называемую вторичной структурой.

Механизм возникновения  водородных связей можно показать  на примере взаимодействия двух молекул воды.  
В диполе воды, как известно, избыток положительных зарядов приходится на атомы водорода, а избыток отрицательных – на атомы кислорода. 
 
 
 
 
 
 
При достаточном сближении двух молекул воды возникает электростатическое взаимодействие между атомом кислорода одной молекулы и атомом водорода второй молекулы воды.  
Следствием этого является ослабление связи между атомами водорода и кислорода в каждой молекуле воды и соответственно возникновение новой, непрочной связи (отмечена пунктиром) между атомом водорода первой молекулы и атомом кислорода второй молекулы воды. Эту непрочную связь принято обозначать водородной связью. 

Наиболее распространены  два типа вторичной структуры  белков.  
Первый вариант, называемый a-спиралью, реализуется с помощью водородных связей внутри одной полимерной молекулы. Водородные связи формируются между 1-й и 4-й аминокислотами.

 

• В результате стягивающего действия водородных связей молекула приобретает форму спирали – так называемая a-спираль, ее изображают в виде изогнутой спиралевидной ленты, проходящей через атомы, образующие полимерную цепь.
• a-спираль представляет собой самый жесткий тип вторичной структуры , преобладает во многих белках.

Другой вариант вторичной  структуры - β - структура. Образуется между атомами пептидных групп линейных областей одной полипептидной цепи (левый рис. ), делающий изгибы или между разными полипептидными цепями. В изгибах чаще всего находится пролин. Поскольку полипептидная цепь имеет направление, возможны варианты, когда направление цепей совпадает (параллельная β –структура, (справа рис. Б), либо они противоположны (антипараллельная β – структура, рис.А)

• β-структура (по Березову Т.Т.) – складчатый тип, водородные связи формируют гофрированную структуру из полипептидной цепи. На схемах изображается в виде стрелки от N к С – концу.

В белках отмечают области  с нерегулярной структурой белка, которые часто называют «беспорядочные  клубки» 
Содержание разных типов вторичных структур

 

• 1. Содержат только a- спирали

    (Hb и миоглобин)

• 2. Содержат a-спирали и β - структуры. (лактатдегидрогеназа)
• 3. Содержат только β - структуры.
• 4. Мало регулярных вторичных структур.

 

Супервторичные структуры.

 

• Специфический порядок формирования вторичных структур называют супервторичной структурой белка.
• Различают:
• тип a/β – бочонка, «цинковый палец», лейциновая застежка и др.

Под третичной структурой белка подразумевают пространственную ориентацию полипептидной спирали или способ укладки полипептидной цепи в определенном объеме.  
Присуща всем глобулярным белкам.

Типы нековалентных связей, стабилизирующих третичную структуру белка. 
1 – ионные связи; 2 - водородная связь; 3 - гидрофобные взаимодействия неполярных групп;  
4 - дисульфидная (ковалентная) связь.

Наиболее важные водородные  связи образуются между атомом водорода, несущим частичный положительный заряд, и отрицательно заряженным атомом кислорода в белковой молекуле.  
Ниже представлены примеры водородных связей, которые могут еще образовываться в белковой молекуле: 
а) между пептидными цепями;  
б) между двумя гидроксильными группами; 
в) между ионизированной СООН-группой и ОН-группой тирозина; 
г) между ОН-группой серина и пептидной связью. 

Дисульфидные связи в  структуре инсулина человека

 
Первым белком, третичная структура которого была выяснена Дж. Кендрью на основании рентгеноструктурного анализа, оказался миоглобин кашалота. 
Это сравнительно небольшой белок с мол. м. 16700, содержащий 153 аминокислотных остатка (полностью выяснена первичная структура), представленный одной полипептидной цепью. Основная функция миоглобина – перенос кислорода в мышцах. Полипептидная цепь мио-глобина представлена в виде изогнутой трубки, компактно уложенной вокруг гема (небелковый компонент, содержащий железо)

 

    Модель третичной структуры молекулы миоглобина (по Дж. Кендрью). Латинскими буквами обозначены структурные домены, красным цветом – гем

Если полипептидная цепь  содержит более 200 аминокислот, то  ее пространственная структура  сформированы в виде доменов.

 

• Домен – это компактная глобулярная структурная единица внутри полипептидной цепи.
• Домены могут выполнять разные функции и подвергаться складыванию (свертыванию) в независимые компактные глобулярные структурные единицы, соединенные между собой гибкими участками внутри белковой молекулы.
• Открыто много белков (например, иммуноглобулины), состоящих из разных по структуре и функциям доменов, кодируемых разными генами.
• Домены определяются на генетическом уровне – экзонами.

Двудоменный транскрипционный  фактор – репрессор из бактериофага P22 (PDB код 1QAR): 
два очевидных домена связаны гибким линкером  

 

ДНК-связывающий домен

 

Пептидаза, а за одно  и димеризационный

 домен

Под четвертичной структурой  подразумевают способ укладки  в пространстве отдельных полипептидных  цепей, обладающих одинаковой (или  разной) первичной, вторичной или  третичной структурой, и формирование  единого в структурном и функциональном  отношениях макромолекулярного  образования. 
 

 

• Каждая отдельно взятая полипептидная цепь, получившая название протомера, мономера или субъединицы, чаще всего не обладает биологической активностью.
• Эту способность белок приобретает при определенном способе пространственного объединения входящих в его состав протомеров, т.е. возникает новое качество, не свойственное мономерному белку.  
  Образовавшуюся молекулу принято называть олигомером.

Олигомерные белки

 

• Олигомерные белки чаще построены из четного числа протомеров (от 2 до 4, реже от 6 до 8) с одинаковыми или разными молекулярными массами – от нескольких тысяч до сотен тысяч.
• В частности, молекула гемоглобина состоит из двух одинаковых α- и двух β-полипептидных цепей, т.е. представляет собой тетрамер.

Уровни организации белковой  молекулы.

Линейная последовательность  аминокислотных остатков в полипептидной  цепи называют первичной структурой белка.  

Уровни организации белковой  структуры: первичная структура (аминокислотная последовательность), вторичная структура (a-спираль и один тяж b-структуры), третичная структура глобулы, сложенной одной цепью, и четвертичная структура олигомерного (в данном случае - димерного) белка.

Таким образом, линейная  одномерная структура полипептидной  цепи (т.е. последовательность аминокислотных остатков, обусловленная кодом белкового синтеза) наделена информацией другого типа – конформационной, которая представляет собой образование белковой молекулы строго заданной формы с определенным пространственным расположением отдельных ее частей.  

Фолдинг - процесс пространственной укладки синтезированной полипептидной цепи, формирование единственно возможной нативной  структуры белка. 
 
 В клетках происходит отбор из множества стерически возможных состояний одной-единственной стабильной и биологически активной конформации, определяемой, вероятнее всего, первичной структурой.  
 В фолдинге участвуют белки - шапероны.  
 
И хотя большинство только что синтезированных белков могут сворачиваться и при отсутствии шаперонов, некоторому меньшинству обязательно требуется их присутствие.

Шапероны.

Участие шаперонов в  фолдинге белка.

 

• Предполагается, что основными функциями шаперонов являются способность предотвращать образование из полипептидной цепи неспецифических (хаотичных) беспорядочных клубков, или агрегатов белков, и обеспечение доставки (транспорта) их к субклеточным мишеням, создавая условия для завершения свертывания белковой молекулы.  
  

Изображение модели комплекса  бактериальных шаперонов GroES и GroEL (вид  сверху). Аггрегированный белок поступает  в центральную полость комплекса, где в результате гидролиза  АТФ происходит изменение его структуры.

 

 

 

• Шапероны удерживают белки в развернутом состоянии.
• Взаимодействие шаперонов с синтезируемым белком начинается еще до схождения полипептидной цепи с рибосомы 
• Связываясь с отдельными участками «опекаемой» ими полипептидной цепи, молекулы hsp70 образуют прочные комплексы, удерживающие цепь в развернутом состоянии.
• Главная функция hsp70 состоит в удержании вновь синтезируемых белков от неспецифической агрегации и в их передаче другому «белку-помощнику», шаперонину, роль которого - обеспечить оптимальные условия для эффективного сворачивания