ПЕРВИЧНАЯ СТРУКТУРА БЕЛКА БЕЛКИ БИОПОЛИМЕРЫ МОНОМЕРАМИ

ПЕРВИЧНАЯ СТРУКТУРА БЕЛКА

БЕЛКИ – БИОПОЛИМЕРЫ, МОНОМЕРАМИ КОТОРЫХ ЯВЛЯЮТСЯ АМИНОКИСЛОТЫ. РАЗЛИЧАЮТ L и D формы аминокислот БЕЛКИ СОСТОЯТ ТОЛЬКО ИЗ L АМИНОКИСЛОТ

АМИНОКИСЛОТЫ, ВХОДЯЩИЕ В СОСТАВ БЕЛКА

ПЕРВИЧНАЯ СТРУКТУРА БЕЛКА

ДЕЛОКАЛИЗАЦИЯ -ЭЛЕКТРОНОВ В ПЕПТИДНОЙ СВЯЗИ ЭЛЕКТРОНЫ АТОМОВ СИ N СОЗДАЮТ «ДЕЛОКАЛИЗОВАННОЕ » ЭЛЕКТРОННОЕ ОБЛАКО, КОТОРОЕ ОХВАТЫВАЕТ ОБА ЭТИ АТОМА И РАСПРОСТРАНЯЮЩЕЕСЯ НА АТОМ О ЧЕРЕЗ СВЯЗЬ С=О. ОБОБЩЕСТВЛЕННЫЕ ЭЛЕКТРОНЫ ПРЕПЯТСТВУЮТ ВРАЩЕНИЮ ВОКРУГ C-N СВЯЗИ

ПРИ ДЕЛОКАЛИЗАЦИИ ЭНЕРГИЯ ЭЛЕКТРОНОВ ПАДАЕТ И ОНИ ПЕРЕХОДЯТ В БОЛЕЕ СТАБИЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ

ДЛИНЫ СВЯЗЕЙ N – C (ПЕПТИДНАЯ СВЯЗЬ) 0, 132 НМ N – C (ОДИНОЧНАЯ) 0, 147 НМ N = C (ДВОЙНАЯ) 0, 125 НМ 0, 147 < 0, 132 < 0, 125 ПЕПТИДНАЯ СВЯЗЬ ЗАНИМАЕТ ПРОМЕЖУТОЧНОЕ ПОЛОЖЕНИЕ

ДЛИНЫ СВЯЗЕЙ В ПЕПТИДНОЙ ГРУППЕ H H 0, 132 нм 0, 147 нм С : N С 0, 124 нм 0, 121 нм O O- N+

ПРИ КОМНАТНОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ ВАЛЕНТНЫЕ СВЯЗИ НЕ ФЛУКТУИРУЮТ: ЧАСТОТА КОЛЕБАНИЙ ЭТИХ СВЯЗЕЙ 2 х1013 сек ЧАСТОТА ТЕПЛОВЫХ КОЛЕБАНИЙ 7 х1012 сек – 1 АМПЛИТУДА ТЕПЛОВЫХ КОЛЕБАНИЙ ВАЛЕНТНЫХ УГЛОВ НЕВЕЛИКА И СОСТАВЛЯЕТ ОКОЛО 5 о. ТАКИМ ОБРАЗОМ, ГИБКОСТЬ ПОЛИПЕПТИДНОЙ ЦЕПИ ОБЕСПЕЧИВАЕТСЯ ДРУГИМИ ФАКТОРАМИ.

ГИБКОСТЬ ПОЛИПЕПТИДНОЙ ЦЕПИ, А, ЗНАЧИТ, И ЕЕ СПОСОБНОСТЬ ОБРАЗОВЫВАТЬ СПИРАЛИ И ГЛОБУЛЫ ОБЕСПЕЧИВАЕТ ВРАЩЕНИЕ ВОКРУГ ВАЛЕНТНЫХ СВЯЗЕЙ.

УГОЛ ОПИСЫВАЕТ ВРАЩЕНИЕ ВОКРУГ СВЯЗИ N – C УГОЛ ОПИСЫВАЕТ ВРАЩЕНИЕ ВОКРУГ СВЯЗИ C – C УГОЛ ОПИСЫВАЕТ ВРАЩЕНИЕ ВОКРУГ СВЯЗИ C - N - УГОЛ ВРАЩЕНИЯ В БОКОВОЙ ЦЕПИ

ПОВОРОТ ВОКРУГ СВЯЗИ С-N (УГОЛ ) МАЛОВЕРОЯТЕН ИЗ-ЗА ЕЕ ЧАСТИЧНО ДВОЙНОГО ХАРАКТЕРА. ЗАТО ВОЗМОЖНЫ ПОВОРОТЫ ВОКРУГ ОДИНАРНЫХ СВЯЗЕЙ C -C (УГОЛ ) И C -N (УГОЛ ) ЕА ДЛЯ УГЛОВ И ОТ 0, 84 ДО 2, 52 к. Дж/моль, ДЛЯ ПЕПТИДНОЙ СВЯЗИ 84 к. Дж/моль

ВТОРИЧНАЯ СТРУКТУРА БЕЛКА

ГЛОБУЛА

НАИБОЛЕЕ ВАЖНЫМИ ДЛЯ ВТОРИЧНОЙ СТРУКТУРЫ БЕЛКА ЯВЛЯЮТСЯ ВОДОРОДНЫЕ СВЯЗИ -СКЛАДЧАТАЯ СТРУКТУРА -СПИРАЛЬ Водородные связи параллельны оси спирали Водородные связи перпендикулярны оси спирали

Водородные связи в спирали • параллельны оси спирали • образуются между первым и четвертым аминокислотными остатками

ПАРАМЕТРЫ -СПИРАЛИ НА КАЖДЫЙ ВИТОК (ШАГ) СПИРАЛИ ПРИХОДИТСЯ 3, 6 АМИНОКИСЛОТНЫХ ОСТАТКОВ. ШАГ СПИРАЛИ (РАССТОЯНИЕ ВДОЛЬ ОСИ) – 0, 54 НМ. НА ОДИН АМИНОКИСЛОТНЫЙ ОСТАТОК ПРИХОДИТСЯ 0, 15 НМ. ЧЕРЕЗ 5 ВИТКОВ СПИРАЛИ (18 АМИНОКИСЛОТНЫХ ОСТАТКОВ) СТРУКТУРНАЯ КОНФИГУРАЦИЯ ПОЛИПЕПТИДНОЙ ЦЕПИ ПОВТОРЯЕТСЯ

ПОСТУЛАТЫ ПОЛИНГА – КОРИ • Длины связей и валентных углов всех пептидных групп одинаковы • Полипептидная цепь насыщена водородными связями • Конформационное состояние всех звеньев полипептидной цепи является эквивалентным

-складчатые структуры

АНТИПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ И ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ -СКЛАДЧАТЫЕ СТРУКТУРЫ

-СКЛАДЧАТАЯ СТРУКТУРА Водородные связи перпендикулярны оси спирали

В БЕЛКАХ, КРОМЕ ТОГО, МОЖНО ОБНАРУЖИТЬ НЕУПОРЯДОЧЕННЫЕ УЧАСТКИ: ГЕМОГЛОБИН: ПОЛИПЕПТИДНЫЕ ЦЕПИ СПИРАЛИЗОВАНЫ НА 75% ТРИПСИН: ПОЛИПЕПТИДНАЯ ЦЕПЬ СПИРАЛИЗОВАНА НА 30%

ДРУГИЕ СПИРАЛЬНЫЕ КОНФОРМАЦИИ СПИРАЛЬ 310 • 3 ОСТАТКА АМИНОКИСЛОТ НА ШАГ (ВИТОК) СПИРАЛИ • РАДИУС 0, 19 НМ p. СПИРАЛЬ 4, 4 ОСТАТКА НА ШАГ СПИРАЛИ РАДИУС 0, 28 НМ

СВЕРХВТОРИЧНЫЕ СТРУКТУРЫ

СВЕРХВТОРИЧНЫЕ СТРУКТУРЫ – ЭТО ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИ ИЛИ КИНЕТИЧЕСКИ СТАБИЛЬНЫЕ КОМПЛЕКСЫ -СПИРАЛЕЙ И СТРУКТУР, КОТОРЫЕ ФОРМИРУЮТСЯ ЗА СЧЕТ МЕЖРАДИКАЛЬНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ.

Примеры суперспиралей Легкий меромиозин и тропомиозин – 2 скрученные спирали

СУПЕРСПИРАЛЬ, СОСТОЯЩАЯ ИЗ НЕСКОЛЬКИХ -СПИРАЛЕЙ В ПЕРЕВИТЫХ СПИРАЛЯХ ПЕРИОДИЧНОСТЬ 3, 5 ОСТАТКОВ НА ВИТОК (ВМЕСТО 3, 6 В ОДИНОЧНОЙ -СПИРАЛИ )

Взаимодействие a-спиралей в двойной (а) и тройной (б) суперспирали (вид с торца спирали). В двойной суперспирали непосредственно контактируют с другой спиралью только остатки а и d, а в тройной — еще и остатки e и g (хотя и более слабо).

МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ВТОРИЧНОЙ СТРУКТУРЫ БЕЛКА

ДИСПЕРСИЯ ОПТИЧЕСКОГО ВРАЩЕНИЯ и КРУГОВОЙ ДИХРОИЗМ – методы, основанные на взаимодействии поляризованного света с оптически активными молекулами

Метод КРУГОВОГО ДИХРОИЗМА основан на различии в поглощении право- и левополяризованного света оптически активным веществом.

Левый и правый поляризованные по кругу лучи поразному поглощаются средой, т. е где коэффициенты экстинкции для лучей с левой и правой круговой поляризацией. Суммирование соответствующих им ВЕКТОРОВ неравной величины El и Еr дает результирующий вектор, конец которого описывает эллипс, т. е. плоскополяризованный свет после прохождения через оптически активную среду становится эллиптически поляризованным. Это явление называют КРУГОВЫМ ДИХРОИЗМОМ.

ПАРАМЕТРЫ, ОПРЕДЕЛЯЕМЫЕ МЕТОДОМ КРУГОВОГО ДИХРОИЗМА

Молярная эллиптичность [ ] Характерные формы спектров КД для полилизина в форме aспирали (a), b-структуры (b) и неупорядоченного клубка (r).

ДИСПЕРСИЯ ОПТИЧЕСКОГО ВРАЩЕНИЯ Оптически активное вещество характеризуется разными показателями преломления n. L и n. R для лево- и правовращающих компонент света, в результате чего происходит вращение плоскости поляризации.

ПАРАМЕТРЫ, ОПРЕДЕЛЯЕМЫЕ МЕТОДОМ ДОВ Оптическое вращение Удельное оптическое вращение Молярное вращение

В белках спектры ДОВ и КД регистрируют в области поглощения пептидных групп (УФ-область). Спектры КД будут отличаться в спиралях различной закрученности.

МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ДИНАМИКИ БЕЛКОВЫХ СТРУКТУР – ЯМР ЭПР И

ЭЛЕКТРОННЫЙ ПАРАМАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС

Метод электронного парамагнитного резонанса был открыт в 1944 г. в Казанском Университете Е. К. ЗАВОЙСКИМ. Пионерами применения ЭПР в биологических исследованиях в России были Л. А. Блюменфельд и А. Э. Калмансон (1958).

УСЛОВИЕ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЭПР – НАЛИЧИЕ У ЧАСТИЦ НЕСКОМПЕНСИРОВАННЫХ МАГНИТНЫХ МОМЕНТОВ, ОБУСЛОВЛЕННЫХ СПИНОМ НЕСПАРЕННЫХ ЭЛЕКТРОНОВ

ЭФФЕКТ ЗЕЕМАНА В отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты электронов ориентированы случайным образом (А). При наложении внешнего магнитного поля магнитные моменты электронов ориентируются в поле в зависимости от величины спинового магнитного момента (Б).

УСЛОВИЕ РЕЗОНАНСА - разница энергии между уровнями H - напряженность магнитного поля - магнетон Бора g – фактор спектроскопического расщепления

На систему электронов, находящуюся в магнитном поле, подают электромагнитную энергию, при определенных значениях величины энергии падающего кванта будут происходить переходы электронов между уровнями. Необходимым условием переходов является равенство энергии падающего кванта (h ) и разности энергий между уровнями электронов с различными спинами (gb. H).

СПЕКТРЫ ЭПР Iпогл =f(H) = const d. I/d. H Первая производная d. I/d. H

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭПР ДЛЯ БЕЛКОВ – МЕТОД СПИНОВЫХ МЕТОК. В ИХ РОЛИ – НИТРОКСИЛЬНЫЕ РАДИКАЛЫ Формула спинового зонда ТЕМПО и его спектр ЭПР. В этом радикале неспаренный электрон локализован около ядра азота, магнитное поле которого накладывается на внешнее магнитное поле.

ЯДЕРНЫЙ МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) – резонансное поглощение электромагнитной энергии веществом, обусловленное переориентацией магнитных моментов атомных ядер.

Наблюдается в сильном постоянном магнитном поле H 0, на которое накладывается слабое радиочастотное магнитное поле H ^ H 0. Резонансный характер явления определяется свойствами ядер, обладающих моментом количества движения и магнитным моментом.

ЯДЕРНЫЙ МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС Н 0 УСЛОВИЕ РЕЗОНАНСА Н 0 Н 0 – напряженность магнитного поля - магнитное квантовое число

СПЕКТР ЯМР Резонансная линия имеет ширину w = 2/T 2 Т 2 – постоянная, которая описывает ядерную намагниченность

Спектр 1 H 4 этоксибензальдегида • интегральная площадь, ограниченная пиком, строго пропорциональна количеству резонирующих атомов; • сигналы ядер атомов, входящих в определенные функциональные группы, лежат в строго определенных участках спектра;

ХИМИЧЕСКИЙ СДВИГ Положение сигнала в спектрах ЯМР характеризуют ХИМИЧЕСКИМ СДВИГОМ их относительно эталонного сигнала Экспериментальные значения резонансных линий в ЯМР для ядер в атомах и молекулах отличаются от теоретического значения, рассчитанного для свободного ядра. Это связано с эффектом экранирования, который обеспечивается влиянием локального магнитного поля. Оно, в свою очередь, создается внутри атома электронными токами, которые индуцируются внешним магнитным полем. Следствием вышесказанного является смещение резонансной частоты из-за химического окружения. Это явление называют ХИМИЧЕСКИМ СДВИГОМ.

ЯМР-спектр ликвора В ЯМР спектрах обнаружен сигнал, который можно отнести к белкам, содержащим железо (трансферрин и др. ).

ДОМЕННАЯ СТРУКТУРА БЕЛКА ДОМЕНЫ – ОБЛАСТИ В ТРЕТИЧНОЙ СТРУКТУРЕ БЕЛКА С ОПРЕДЕЛЕННОЙ СТРУКТУРНОЙ АВТОНОМИЕЙ, ПОДУРОВЕНЬ СТРУКТУРНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ БЕЛКА НА ПУТИ ОТ ВТОРИЧНОЙ К ТРЕТИЧНОЙ СТРУКТУРЕ.

ВПЕРВЫЕ ДОМЕННАЯ СТРУКТУРА ПОКАЗАНА НА ПРИМЕРЕ ЛИЗОЦИМА, ИММУНОГЛОБУЛИНОВ, ХИМОТРИПСИНА, ПАПАИНА И ДР. Домены в структуре протеолитического фермента папайи - папаина. Прерывистыми линиями намечено направление впадины между двумя доменами, в которой связывается субстрат и размещен каталитический центр. Дисульфидные связи заштрихованы

РАЗЛИЧАЮТ ДВА ВИДА ДОМЕНОВ (Д. УЕТЛАУФЕР) • С НЕПРЕРЫВНОЙ ПОЛИПЕПТИДНОЙ ЦЕПЬЮ • С РАЗРЫВНОЙ ПОЛИПЕПТИДНОЙ ЦЕПЬЮ ОБЛАСТЬ, ОБЪЕДИНЯЮЩАЯ ДОМЕНЫ – ЯДРО (НУКЛЕАЦИЯ)

ТРЕТИЧНАЯ СТРУКТУРА БЕЛКА И СИЛЫ, ЕЁ СТАБИЛИЗИРУЮЩИЕ

Третичная структура белка: пространственная ориентация полипептидной спирали или способ укладки полипептидной цепи в определенном объеме.

ТРЕТИЧНАЯ СТРУКТУРА БЕЛКА

РАЗЛИЧНЫЕ ВАРИАНТЫ ИЗОБРАЖЕНИЯ СТРУКТУРЫ БЕЛКА КРАМБИНА. А– структурная формула в пространственном изображении. Б – структура в виде объемной модели. В – третичная структура молекулы. Г – сочетание вариантов А и В. Д – упрощенное изображение третичной структуры. Е – третичная структура с дисульфидными мостиками.

СИЛЫ, СТАБИЛИЗИРУЮЩИЕ ТРЕТИЧНУЮ СТРУКТУРУ 1. электростатические силы притяжения (ионные связи); 2. водородные связи; 3. гидрофобные взаимодействия между неполярными (гидрофобными) Rгруппами; 4. Ван-дер-ваальсовы взаимодействия ; 5. дисульфидные связи между радикалами двух молекул цистеина. В ряде белков они могут вообще отсутствовать.

ВОДОРОДНЫЕ СВЯЗИ в белковой молекуле: А - между двумя гидроксильными группами; Б - между ионизированной СООН-группой и ОН-группой тирозина; В - между ОН-группой серина и пептидной связью.

ТЕРМОДИНАМИКА ОБРАЗОВАНИЯ ГЛОБУЛЫ СВОБОДНАЯ ЭНЕРГИЯ ГИББСА ΔG = ΔH - TΔS ДЛЯ САМОПРОИЗВОЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ G<0

ДЛЯ САМОПРОИЗВОЛЬНО ПРОТЕКАЮЩИХ ПРОЦЕССОВ ВЫГОДНО УМЕНЬШЕНИЕ ЭНТАЛЬПИИ или УВЕЛИЧЕНИЕ ЭНТРОПИИ. ОБРАЗОВАНИЕ СВЯЗЕЙ РАЗРЫВ СВЯЗЕЙ ЭНТАЛЬПИЯ СНИЖАЕТСЯ ЭНТАЛЬПИЯ ПОВЫШАЕТСЯ. ΔG<0.

При свертывании белковой глобулы выигрыша в числе водородных связей не происходит, т. к. одновременно утрачиваются водородные связи полипептидная цепь – вода. При свертывании глобулы убывает энтропия пептидной цепи, но одновременно происходит возрастание энтропии растворителя - воды, что играет решающую роль в стабилизации третичной структуры белка.

СТЕПЕНЬ ГИДРОФОБНОСТИ АМИНОКИСЛОТЫ ОПРЕДЕЛЯЮТ ПО РАЗНОСТИ СВОБОДНЫХ ЭНЕРГИЙ ЕЕ РАСТВОРЕНИЯ В СЛАБОПОЛЯРНОМ РАСТВОРИТЕЛЕ И ВОДЕ ГИДРОФОБНЫЕ АМИНОКИСЛОТЫ: ЛЕЙ, ВАЛ, ЛИЗ, ГИС ТРИ, ИЛЕ, ТИР, ФЕН, ПРО, АЛА, АРГ, ЦИС, ГЛУ, АСП, ТРЕ, СЕР, ГЛИ, АСН, ГЛН ГИДРОФИЛЬНЫЕ АМИНОКИСЛОТЫ: ГИПОТЕЗА ОБ ОПРЕДЕЛЯЮЩЕЙ РОЛИ ГИДРОФОБНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ ДОКАЗАНА В 1944.

В 1964 году Фишер установил, что, зная общее число аминокислотных остатков в ядре и отношение полярных остатков к неполярным, можно предсказать форму глобулы.

bs - отношение числа полярных остатков к неполярным.

Заштриховано гидрофобное ядро, прозрачная гидрофильная оболочка b – количество полярных групп bs - количество неполярных групп

ДИСУЛЬФИДНЫЕ СВЯЗИ

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ДВИЖЕНИЙ В БЕЛКОВОЙ МОЛЕКУЛЕ

ØАтомные флуктуации (несогласованные перемещения отдельных атомов, например, повороты на 20 - 60º вокруг простых связей пептидного скелета и боковых групп) ØКоллективные (согласованные) перемещения групп атомов (от нескольких до сотен) ØИндуцированные внешними факторами изменения конформации

ЧЕТВЕРТИЧНАЯ СТРУКТУРА БЕЛКА Гидрофильные остатки не полностью покрывают гидрофобное ядро, что приводит к образованию надмолекулярных структур.

ПРИМЕРЫ БЕЛКОВ С ЧЕТВЕРТИЧНОЙ СТРУКТУРОЙ АСПАРТАТКАРБАМИЛТРАНСФЕРАЗА E. COLI ГЕМОГЛОБИН

РОЛЬ ЧЕТВЕРТИЧНОЙ СТРУКТУРЫ 1. АРХИТЕКТУРНАЯ ФУНКЦИЯ 2. ОБЕСПЕЧЕНИЕ МНОЖЕСТВЕННЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ БЕЛКА С ПРОТЯЖЕННЫМИ СТРУКТУРАМИ 3. РЕГУЛЯТОРНАЯ ФУНКЦИЯ 4. ОБЪЕДИНЕНИЕ НЕСКОЛЬКИХ ВЗАИМОСВЯЗАННЫХ ФУНКЦИЙ В ЕДИНОЙ СТРУКТУРЕ

Удачной сессии!