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 пост трансляционные 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.
Строение белков Белки — высокомолекулярные органические соединения, состоящие из остатков α-аминокислот. В состав белков входят углерод, водород, азот, кислород, сера. Часть белков образует комплексы с другими молекулами, содержащими фосфор, железо, цинк и медь. Белки обладают большой молекулярной массой: яичный альбумин — 36 000, гемоглобин — 152 000, миозин — 500 000. Для сравнения: молекулярная масса спирта — 46, уксусной кислоты — 60, бензола — 78.
Аминокислотный состав белков Белки — непериодические полимеры, мономерами которых являются α-аминокислоты. Обычно в качестве мономеров белков называют 20 видов α-аминокислот, хотя в клетках и тканях их обнаружено свыше 170. В зависимости от того, могут ли аминокислоты синтезироваться в организме человека и других животных, различают: заменимые аминокислоты — могут синтезироваться; незаменимые аминокислоты — не могут синтезироваться. Незаменимые аминокислоты должны поступать в организм вместе с пищей. Растения синтезируют все виды аминокислот.
Аминокислотный состав белков В зависимости от аминокислотного состава, белки бывают: полноценными — содержат весь набор аминокислот; неполноценными — какие-то аминокислоты в их составе отсутствуют. Если белки состоят только из аминокислот, их называют простыми. Если белки содержат помимо аминокислот еще и неаминокислотный компонент (простетическую группу), их называют сложными. Простетическая группа может быть представлена металлами (металлопротеины), углеводами (гликопротеины), липидами (липопротеины), нуклеиновыми кислотами (нуклеопротеины).
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. характер пространственной укладки пептидной цепи определяется аминокислотнымсоставом и чередованием аминокислотных остатков в цепи. Следовательно, конформация — такая же специфическая характеристика индивидуального белка, как и первичная структура. В белках различают 2 основных типа конформации полипептидных цепей: вторичную и третичную структуры.
Вторичная структура Между присутствующими в полимерной цепи амино-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 aспираль, 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. В ДНК связывающих белках имеются общие виды супервторичных структур: «ос-спираль—поворот— ос-спираль» , «лейциновая застежка-молния» , «цинковые пальцы» . ДНК связывающие белки содержат центр связывания, комплементарный участку ДНК с определенной нуклеотидной последовательностью. Эти белки участвуют в регуляции действия Гистоны — ядерные белки, в состав которых входит большое количество положительно заряженных аминокислот — аргинина и лизина (до 80%). Молекулы гистонов объединяются в олигомерные комплексы, содержащие 8 мономеров с по мощью «лейциновых застежек» , несмотря на положительный заряд этих молекул. Гистоны — ядерные белки, в состав которых входит большое количество положительно заряженных аминокислот — аргинина и лизина (до 80%). Молекулы гистонов объединяются в олигомерные комплексы, содержащие 8 мономеров с помощью «лейциновых застежек» , несмотря на сильный положительный заряд этих молекул.
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
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. Если полипептидная цепь содержит более 200 аминокислот, то ее пространственная структура сформированы в виде доменов.
Пептидаза, а за одно и димеризационный домен Двудоменный транскрипционный фактор – репрессор из бактериофага P 22 (PDB код 1 QAR): два очевидных домена связаны гибким линкером ДНК связывающий 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 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 βполипептидных 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 bструктуры), 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 Gro. ES и Gro. EL (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 hsp 70 образуют прочные комплексы, удерживающие цепь в развернутом состоянии. Главная функция hsp 70 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
Пострансляционная модификация белков Вновь синтезированный белок или полипептид не всегда функционально активны и требуют дополнительных преобразований, включающих: Фолдинг молекул. Образование дисульфидных мостиков между остатками цистеина. Частичный протеолиз. Присоединение простетической группы. Сборка протомеров в олигомерный белок. Модификацию аминокислотных остатков: фосфорилирование, гидроксилирование и другие реакции.
Деградация белков - Убиквитиновый сигнальный путь Белок выполняет закреплённую за ним функцию, а затем, в определённый момент, клетке необходимо от него избавиться. Последнее обусловлено рядом причин: во - первых, дальнейшая активность белка может навредить клетке, во - вторых, нужно синтезировать новые белки, а перегрузка цитоплазмы полипептидами является источником апоптоза. Внутриклеточную деградацию белков долгое время считали неспецифическим случайным процессом. Настоящим прорывом в данной области послужило открытие убиквитинового сигнального пути. В рамках этого пути деградации белка, которая осуществляется крупным белковым комплексом - протеосомой, предшествует присоединение к нему "цепочки"молекул небольшого пептида убиквитина.
Полиубиквитиновая цепочка навешивается в строго определённый момент и является сигналом, свидетельствующим о том, что данный белок подлежит деградации. Аминокислота, по остатку которой убиквитин связывается с белками – лизин. Теперь ясно, что процесс внутриклеточного протеолиза жестко регулируется и чрезвычайно важен для множества базальных клеточных функций. Среди субстратов специфического протеолиза : регуляторы клеточного цикла, компоненты различных сигнальных путей, а также мутантные белки и белки, поврежденные посттрансляционно.
Свойства белков Белки сочетают в себе основные и кислотные свойства, определяемые радикалами аминокислот: чем больше кислых аминокислот в белке, тем ярче выражены его кислотные свойства. Способность отдавать и присоединять Н+ определяют буферные свойства белков; один из самых мощных буферов — гемоглобин в эритроцитах, поддерживающий р. Н крови на постоянном уровне. Есть белки растворимые (фибриноген), есть нерастворимые, выполняющие механические функции (фибрин, кератин, коллаген). Есть белки активные в химическом отношении (ферменты), есть химически неактивные, устойчивые к воздействию различных условий внешней среды и крайне неустойчивые.
Свойства белков Внешние факторы (нагревание, ультрафиолетовое излучение, тяжелые металлы и их соли, изменения р. Н, радиация, обезвоживание) могут вызывать нарушение структурной организации молекулы белка. Процесс утраты трехмерной конформации, присущей данной молекуле белка, называют денатурацией. Причиной денатурации является разрыв связей, стабилизирующих определенную структуру белка. Первоначально рвутся наиболее слабые связи, а при ужесточении условий и более сильные. Поэтому сначала утрачивается четвертичная, затем третичная и вторичная структуры. Изменение пространственной конфигурации приводит к изменению свойств белка и, как следствие, делает невозможным выполнение белком свойственных ему биологических функций. Если денатурация не сопровождается разрушением первичной структуры, то она может быть обратимой, в этом случае происходит самовосстановление свойственной белку конформации. Такой денатурации подвергаются, например, рецепторные белки мембраны. Процесс восстановления структуры белка после денатурации называется ренатурацией. Если восстановление пространственной конфигурации белка невозможно, то денатурация называется необратимой.
Функции белков Функция Примеры и пояснения Строительная Белки участвуют в образовании клеточных и внеклеточных структур: входят в состав клеточных мембран (липопротеины, гликопротеины), волос (кератин), сухожилий (коллаген) и т. д. Транспортная Белок крови гемоглобин присоединяет кислород и транспортирует его от легких ко всем тканям и органам, а от них в легкие переносит углекислый газ; в состав клеточных мембран входят особые белки, которые обеспечивают активный и строго избирательный перенос некоторых веществ и ионов из клетки во внешнюю среду и обратно. Регуляторная Гормоны белковой природы принимают участие в регуляции процессов обмена веществ. Например, гормон инсулин регулирует уровень глюкозы в крови, способствует синтезу гликогена, увеличивает образование жиров из углеводов. Защитная В ответ на проникновение в организм чужеродных белков или микроорганизмов (антигенов) образуются особые белки — антитела, способные связывать и обезвреживать их. Фибрин, образующийся из фибриногена, способствует остановке кровотечений. Двигательная Сократительные белки актин и миозин обеспечивают сокращение мышц у многоклеточных животных. Сигнальная В поверхностную мембрану клетки встроены молекулы белков, способных изменять свою третичную структуру в ответ на действие факторов внешней среды, таким образом осуществляя прием сигналов из внешней среды и передачу команд в клетку. Запасающая В организме животных белки, как правило, не запасаются, исключение: альбумин яиц, казеин молока. Но благодаря белкам в организме могут откладываться про запас некоторые вещества, например, при распаде гемоглобина железо не выводится из организма, а сохраняется, образуя комплекс с белком ферритином. При распаде 1 г белка до конечных продуктов выделяется 17, 6 к. Дж. Сначала белки распадаются до аминокислот, а Энергетическая затем до конечных продуктов — воды, углекислого газа и аммиака. Однако в качестве источника энергии белки используются только тогда, когда другие источники (углеводы и жиры) израсходованы. Одна из важнейших функций белков. Обеспечивается белками — ферментами, которые ускоряют биохимические Каталитическая реакции, происходящие в клетках. Например, рибулезобифосфаткарбоксилаза катализирует фиксацию СО 2 при фотосинтезе.
Функции белков 1. Структурная функция. Структурные белки в комплексе с липидами являются структурной основой клеточных и внутриклеточных мембран.
Функции белков 1. Структурная функция. Белки участвуют в образовании внеклеточных структур: входят в состав шерсти, волос, сухожилий, стенок сосудов. кератин
Функции белков 1. Структурная функция. Белки участвуют в образовании внеклеточных структур: входят в состав шерсти, волос, сухожилий, стенок сосудов. эластин, коллаген
Функции белков 2. Транспортная функция. Некоторые белки способны присоединять различные вещества и переносить их к различным тканям и органам тела, из одного места клетки в другое. Например, белок крови гемоглобин транспортирует О 2 и СО 2
Функции белков 2. Транспортная функция. В состав клеточных мембран входят особые белки, обеспечивают активный и строго избирательный перенос некоторых веществ и ионов из клетки во внешнюю среду и обратно.
Функции белков 3. Регуляторная функция. Некоторые белки являются гормонами. Гормоны - биологически активные вещества, выделяющиеся в кровь различными железами, которые принимают участие в регуляции процессов обмена веществ. Гормон инсулин регулирует уровень сахара в крови путем повышения проницаемости клеточных мембран для глюкозы, способствует синтезу гликогена.
Функции белков 4. Рецепторная функция. Белки-рецепторы – встроенные в мембрану молекулы белков, способных изменять свою структуру в ответ на присоединение определенного химического вещества.
Функции белков 5. Защитная функция. В ответ на проникновение в организм чужеродных белков или микроорганизмов (антигенов) образуются особые белки — антитела, способные связывать и обезвреживать их.
Функции белков 5. Защитная функция. Фибрин, образующийся из фибриногена, способствует остановке кровотечений.
Функции белков 6. Двигательная функция. Особые сократительные белки (актин и миозин) участвуют во всех видах движения клетки и организма: образовании псевдоподий, мерцании ресничек и биении жгутиков у простейших, сокращении мышц у многоклеточных животных, движении листьев у растений и др.
Функции белков 7. Запасающая функция. Эту функцию выполняют резервные белки, которые запасаются в качестве источника энергии. казеин молока альбумин яиц Например, при распаде гемоглобина железо не выводится из организма, а сохраняется в организме, образуя комплекс с белком ферритином.
Функции белков 8. Энергетическая функция. При распаде 1 г белка до конечных продуктов выделяется 17, 6 к. Дж энергии. Сначала белки распадаются до аминокислот, а затем до конечных продуктов: воды, углекислого газа, аммиака.
Функции белков 9. Каталитическая функция. Многие глобулярные белки – ферменты. Ферменты - это группа белков, обладающая способностью ускорять реакции, происходящие в организме. Молекулы, которые присоединяются к ферменту и изменяются в результате реакции, называются субстратами.
Функции белков 9. Каталитическая функция. Масса фермента гораздо больше массы субстрата. Часть фермента, которая присоединяет субстрат и содержит каталитические аминокислоты, называется активным центром фермента.
Функции белков 2 Н 202 → 2 Н 20 + 02 В присутствии солей железа (катализатора) эта реакция идет несколько быстрее. Фермент каталаза за 1 сек. расщепляет до 100 тыс. молекул Н 202.
Скачать презентацию История изучения структуры белка Лайнус Полинг считается первым
структура белка.ppt