Первичная структура - последовательность соединения аминокислот в полипептидной цепи. В белковой молекуле при чередовании жестких (пептидная связь) и гибких (α -углеродный атом) участков формируется компактная укладка цепи в пространстве.
Метод Акобори заключается в использовании фенилгидразина . Фенилгидразин разрывает пептидные связи в белке и присоединяется ко всем аминокислотам, кроме C-концевой. Последующий хроматографический анализ позволяет распознать С - концевую аминокислоту в составе белка.
Исследование первичной структуры имеет важное общебиологическое и медицинское значение:
- первичная структура является определяющей для последующих структур белка.
- знание первичной структуры белка необходимо для искусственного синтеза белков.
- первичная структура определяет видовую специфичность, например, в белке инсулине, обычно в середине молекулы у различных видов животных и человека происходит замена, как правило, 3-х равноценных аминокислот.
- изменения в первичной структуре могут приводить ко многим болезням, например, к серповидно клеточной анемии, при которой в гемоглобине в β - цепи в 6 положении глютаминовая кислот заменяется на валин. Эта замена на неравноценную аминокислоту приводит к нарушению функции гемоглобина и появлению серповидной формы эритроцитов.
Вторичная структура - регулярно повторяющаяся форма укладки полипептидной цепи в пространстве. Чаще всего в белках встречается 2 вида вторичной структуры: α - спираль и β - структура.
α - спираль в 1951 году изучена Л. Полингом с помощью рентгеноструктурного метода. Она представляет собой правозакрученную спиральную структуру, в одном витке которой укладывается 3,6 аминокислоты. Шаг спирали (расстояние между соседними витками) составляет 0,54 н.м. α - спираль фиксируется водородными связями, которые замыкаются между пептидными связями, образованными каждой 4-ой аминокислотой. Вторичная α - структура укладывается самопроизвольно и определяется первичной структурой белка. Доля участков, уложенных в спиральную структуру, в различных белках различна. Например, в гемоглобине, миоглобине преобладает α - структурная укладка, которая в 4 раза уменьшает размеры белковой молекулы.
β -структура имеет вид «гармошки» и стабилизируется водородными связями между удалёнными участками одной полипептидной цепи или между несколькими белковыми молекулами. Выделяют параллельные β - структуры, в которых N и С-концы соответствуют друг другу, и антипараллельные структуры. Примером белков, преимущественно содержащих β - структуры, являются иммуноглобулины.
Вторичную структуру изучают методами рентгеноструктурного анализа, исследованием поглощения белком ультрафиолетовых лучей (чем больше доля α - структур, тем больше поглощение).
Вторичная структура разрушается при денатурации.
Третичная структура - с пецифическая для каждого белка форма укладки полипептидной цепи в пространстве. Данная структура формируется самопроизвольно и определяется первичной структурой. Третичная структура значительно, в десятки увеличивает компактность белка. В формировании третичной структуры участвуют нековалентные связи (гидрофобные, ионные) и ковалентные (дисульфидные) связи.
Третичная структура определяет биологическую активность и физико-химические свойства белков . При нарушении третичной структуры белок утрачивает свою биологическую активность.
Методами изучения третичной структуры являются рентгеноструктурный анализ и определение химической активности отдельных радикалов аминокислот в белке. Третичная структура белка миоглобина впервые была изучена Дж. Кендрью (1957 г.). М. Перутцем (1959 г.) была изучена структура гемоглобина.
В третичную структуру белков входят α - спиральные, β - складчатые структуры, β- петли (в них полипептидная цепь изгибается на 180 0) и, так называемый, неупорядоченный клубок. Например, в белке инсулине содержится 57% α - спиральных участков, 6% β- складчатых структур, 10% молекулы уложены в виде β - петлей и 27% молекулы представляют неупорядоченный клубок.
Совокупность первичной, вторичной, третичной составляет конформацию белковой молекулы. Прижизненная (нативная) конформация формируется самопроизвольно и её образование носит название фолдинг. Конформация белков очень неустойчива и формируется при участии особых белков - шаперонов (компаньонов). Шапероны способны связываться с частично денатурированными, находящимися в неустойчивом состоянии белками, и восстанавливать их нативную конформацию. Шапероны классифицируют по молекулярной массе (60 - 100 кд.). Наиболее изучены Ш-60, Ш-70 и Ш-90. Например, Ш-70 взаимодействуют с белками, богатыми гидрофобными радикалами, защищают их от высокотемпературной денатурации. В целом шапероны экранируют основные белки организма, препятствуют денатурации и способствуют формировании конформации, облегчают транспорт денатурированных белков в лизосомы, участвуют в процессе синтеза белков.
По конформации все белки делятся на три группы:
- фибриллярные белки: коллаген, эластин, фиброин.
- Глобулярные белки: гемоглобин, альбумин, глобулин.
- Смешанные белки: миозин.
Третичная структура присуща всем белкам. Четвертичную структуру имеют только олигомерные белки, в составе которых имеется несколько субъединиц, протомеров. Протомером считается отдельная полипептидная цепь, субъединицей - функционально активная часть олигомерного белка. Субъединица может содержать или один протомер, или несколько.
Четвертичная структура - количество и взаимное расположение субъединиц в олигомерных белках. Четвертичную структуру имеют только олигомерные белки, в составе которых имеется несколько субъединиц, протомеров. Протомером считается отдельная полипептидная цепь, субъединицей - функционально активная часть олигомерного белка. Субъединица может содержать один протомер или несколько протомеров.
В формировании четвертичной структуры участвуют непрочные нековалентные связи (гидрофобные, ионные, водородные). Четвертичная структура белков формируются самопроизвольно и легко разрываются при денатурации. Отдельные субъединицы в олигомером белке взаимодействуют друг с другом, что приводит к изменению третичной структуры отдельных протомеров. Это явление называется кооперативными изменениями конформации протомеров и сопровождается, как правило, повышением активности белка.
Олигомерные белки имеют ряд особенностей в сравнении с мономерными белками.
- Имеют очень компактную укладку и относительно небольшая поверхность раздела, поэтому, располагаясь внутриклеточно, они связывают меньше воды
- Активность их регулируется в организме. Протомеры, как правило, неактивны, а олигомерные белки значительно активнее.
- Если в синтезе олигомерного белка участвуют однотипные протомеры, это экономит генетический материал (на коротком участке ДНК «штампуется» несколько одинаковых протомеров)
- Они функционально более приспособлены для условий организма.
Функциональность олигомерных белков иллюстрируется при сравнении белков гемоглобина и миоглобина, участвующих в переносе кислорода в ткани. Гемоглобин эритроцитов - олигомерный белок, включает 4 полипептидные цепи. Миоглобин мышц - мономерный белок, включает 1 полипептидную цепь. Кривая насыщения кислородом у миоглобина свидетельствует о прямой зависимости её от концентрации кислорода. Для гемоглобина кривая насыщения кислородом носит S-образный характер. Это связано с постепенным последовательным изменением структуры (конформации) каждого из 4-х протомеров в составе гемоглобина, в результате которого резко возрастает сродство гемоглобина к кислороду. Такой характер насыщения гемоглобина кислородом резко повышает его кислородную ёмкость по сравнению с миоглобином.
Особое положение среди белков занимают доменные белки .
Домены - структурно и функционально обособленные участки одной полипептидной цепи. Домены могут отвечать за взаимодействие белка с различными веществами - лигандами (низкомолекулярные вещества, ДНК, РНК, полисахариды и др.) Примерами доменных белков служат альбумин сыворотки крови, иммуноглобулины, некоторые ферменты (трипсин поджелудочной железы).
В силу высокой избирательности белков они могут объединяться в комплексы, которые чаще всего называются полиферментные комплексы - это структурные объединения нескольких ферментов, катализирующих отдельные стадии сложного химического процесса. Пример: пируватдегидрогеназный комплекс (ПДК) комплекс трех видов ферментов, катализирующий окисление пировиноградной кислоты (ПВК).
Возможно специфическое соединение не только отдельных белков, но и белков с липидами (жирами) при образовании клеточных мембран, белков с нуклеиновыми кислотами при формировании хроматина.
Физико-химические свойства белков .
Во многом определяются конформацией белковой молекулы (первичная - третичная структура белка). Физико- химические свойства белков проявляются в растворах.
Растворимость белков у различных белков различна.
В целом растворимость белков высока, но различна для разных видов белков. На неё влияют следующие факторы:
- форма белковой молекулы (глобулярные белки растворимы лучше, чем фибриллярные белки)
- характер радикала аминокислоты белка, соотношение полярных неполярных радикалов (чем больше в составе белка полярных гидрофильных радикалов, тем лучше его растворимость)
- свойства растворителя, присутствие солей. Невысокая концентрация солей (KCL, NaCl) иногда повышает растворимость белков. Например, альбумины лучше растворимы в чистой дистиллированной воде, глобулины растворяются только в присутствии 10% солей (KCL, NaCl). Белки соединительной ткани коллаген и эластин не растворимы ни в воде, ни в солевых растворах.
Молекулярная масса белков достаточно велика, находится в пределах от 6000 д. до 1000000 д. Например, молекулярная масса гемоглобина - 68000 д., альбумина - 100 000 д., рибонуклеазы - около 14 000 д., миозина - 500 000 д.
Методы определения молярной массы белков должны быть щадящими, не разрушать белковых молекул. Например, к белкам не применим эбулиоскопический метод, основанный на измерении температуры кипения растворов. Наиболее точными методами определения молекулярной массы белков являются метод ультрацентрифугирования и рентгеноструктурный метод.
Метод ультрацентрифугирования (седиментации) основан на изменении скорости осаждения белков различной молекулярной массы при вращении белковых растворов с большой скоростью. Молекулярная масса белков, найденная этим методом, обозначается единицей Сведберга (S=10 -13 c.)
Рентгеноструктурный метод позволяет рассчитать молекулярную массу путём анализа многочисленных рентгеновских снимков молекулы белка.
Электрофоретический метод основан на зависимости скорости передвижения белков в постоянном электрическом поле от молекулярной массы белка (электрофоретическая подвижность выше у белков с меньшей молекулярной массой)
Хроматографический метод основан на различной скорости прохождения различных белков через молекулярные гелевые «сита».
Крупные молекулы, превышающие размеры пор геля, проходят через гель быстрее, чем более мелкие молекулы белка, которые задерживаются внутри зёрен геля.
Электронномикроскопический метод проводится путём сравнения размеров белковой молекулы с эталонными образцами известной массы.
Химические методы связаны с особенностями химического состава белков
Форма белковых молекул различна. Белковые молекулы по форме могут быть фибриллярными и глобулярными. Фибриллярные белки имеют нитевидную форму молекулы. Они, как правило, не растворимы в воде и в разбавленных солевых растворах. К фибриллярным белкам относятся основные структурные белки соединительной ткани: коллаген, кератин, эластин. У глобулярных белков полипептидные цепи плотно свёрнуты в компактные сферические структуры. Большинство глобулярных белков хорошо растворяются в воде и слабых солевых растворах. К глобулярным белкам относятся ферменты, антитела, альбумины, гемоглобин. Некоторые белки имеют промежуточный вид молекулы, содержат в своём составе и нитевидные, и шаровидные участки. Примером таких белков служит белок мышц миозин, растворимый в солевых растворах.
Размеры белковых молекул находятся в интервале от 1 до 100 нм, близком к размерам коллоидных частиц. В силу этого белковые растворы обладают свойствами, как истинных растворов, так и коллоидных растворов.
Многие молекулярно- кинетические свойства белковых растворов сходны со свойствами коллоидных растворов .
- Медленная скорость диффузии белков, необходимой для их обмена.
- Невозможность прохождения белков через полупроницаемые мембраны. В отсеках с высокой концентрацией белка создаётся избыточное гидростатическое давление, обусловленное односторонним перемещением молекул воды через полупроницаемую мембрану в сторону высокой концентрации белка. Избыточное давление, создаваемое белками, называется онкотическим давлением. Оно является важным фактором, определяющим передвижение воды между тканями, кровью, кишечником.
- Высокая вязкость белков обусловлена различными межмолекулярными взаимодействиями крупных белковых молекул. Повышенная вязкость крови, в частности, повышает нагрузку на сердечную мышцу.
- Некоторые белки способны образовывать гели, что увеличивает прочность белков (например, коллаген).
Оптические свойства белков определяются размерами белковых молекул, структурой радикалов аминокислот в белках, наличием пептидных связей и альфа-спиральных участков в белках.
- Белковые растворы обладают эффектом светопреломления (рефракции) и светорассеивания. Эти свойства обусловлены большими размерами белковых молекул, соизмеримыми с длиной волны видимой части спектра.. При этом короткие синие лучи рассеиваются в большей степени, чем более длинноволновые красные лучи. Степень рефракции пропорциональна концентрации белкового раствора.
- Белковые растворы поглощают ультрафиолетовые лучи в диапазоне 190-230 нм за счёт присутствия пептидных связей и в диапазоне 260-280 нм за счёт присутствия в белках циклических аминокислот. Степень поглощения УФЛ пропорциональна концентрации белка в растворе.
- Белковые растворы способны вращать плоскость поляризованного света, что обусловлено оптической активностью содержащихся в белке аминокислот и наличием в нём альфа-спиральных участков. Существует прямая зависимость между поляризаций света и концентрацией белков в растворе.
Белки, являясь молекулярными растворами, обладают свойствами истинных растворов . Будучи истинными растворами, белковые растворы отличаются высокой устойчивостью.
Белки представляют собой полипептиды, молекулярная масса которых превышает 6000-10000 дальтон. Они состоят из большого числа аминокислотных остатков.
В отличие от низкомолекулярных пептидов, белки обладают хорошо развитой трехмерной пространственной структурой, которая стабилизируется различного рода сильными и слабыми взаимодействиями. Различают четыре уровня структурной организации белковой молекулы: первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуры.
Первичная структура белка представляет собой последовательность аминокислотных остатков, соединенных между собой пептидными связями.
Впервые предположение о роли пептидных связей в построении белковых молекул было выдвинуто русским биохимиком А. Я. Данилевским, идеи которого легли в основу полипептидной теории строения белков, сформулированной немецким химиком Э. Фишером в 1902 г.
Основу первичной структуры белковой молекулы образует регулярно повторяющийся пептидный остов — NH-CH-CO-, а боковые радикалы аминокислот составляют ее вариабельную часть.
Первичная структура белка прочная, т. к. в основе ее построения лежат ковалентные по характеру пептидные связи, представляющие собой сильные взаимодействия;
Соединяясь между собой в различной последовательности, протеиногенные аминокислоты образуют изомеры. Из трех аминокислот можно построить шесть различных трипептидов. Например, из глицина, аланина и валина - гли-ала-вал, гли-вал-ала, ала-гли-вал, ала-вал-гли, вал-гли-ала и вал-ала-гли. Из четырех аминокислот можно образовать 24 тетрапептида, а из пяти - 120 пентапептидов. Из 20 аминокислот можно построить 2 432 902 008 176 640 000 полипептидов. При этом каждая аминокислота используется в построении рассмотренных полипептидных цепочек только один раз.
Многие природные полипептиды насчитывают в своем составе сотни и даже тысячи аминокислотных остатков, и каждая из 20 протеиногенных аминокислот может встречаться в их составе неоднократно. Поэтому число возможных вариантов полипептидных цепочек бесконечно велико. Однако в природе реализуются далеко не все теоретически возможные варианты аминокислотных последовательностей.
Первым белком, первичная структура которого была расшифрована, является бычий инсулин. Его молекула состоит из двух полипептидных цепочек, одна из которых содержит 21, а другая - 30 аминокислотных остатков. Цепочки соединяются между собой двумя дисульфидными связями. Еще одна дисульфидная связь располагается внутри короткой цепи. Последовательность расположения аминокислотных остатков в молекуле инсулина установил английский биохимик Ф. Сэнгер в 1953 г.
Таким образом, Ф. Сэнгер подтвердил полипептидную теорию строения белковой молекулы Э. Фишера и доказал, что белки - это химические соединения, обладающие определенной структурой, которую можно изобразить с помощью химической формулы. К настоящему времени расшифрованы первичные структуры нескольких тысяч белков.
Химическая природа каждого белка уникальна и тесно связана с его биологической функцией. Способность белка выполнять присущую ему функцию определяется его первичной структурой. Даже небольшие изменения в последовательности аминокислот в белке могут привести к серьезному нарушению в его функционировании, возникновению тяжелого заболевания.
Болезни, связанные с нарушениями первичной структуры белка, получили название молекулярных. К настоящему времени открыто несколько тысяч таких болезней.
Одной из молекулярных болезней является серповидноклеточная анемия, причина которой кроется в нарушении первичной структуры гемоглобина. У людей с врожденной аномалией структуры гемоглобина в полипептидной цепочке, состоящей из 146 аминокислотных остатков, в шестом положении находится валин, тогда как у здоровых людей на этом месте - глутаминовая кислота. Аномальный гемоглобин хуже транспортирует кислород, а эритроциты крови больных имеют серповидную форму. Заболевание проявляется в замедлении развития, общей слабости организма.
Первичная структура белка задана генетически. Это дает возможность организмам одного вида поддерживать постоянство набора белков. Однако у разных видов живых организмов белки, выполняющие одинаковую функцию, не идентичны по первичной структуре - на отдельных участках полипептидной цепи они могут иметь неодинаковые последовательности аминокислот. Такие белки называются гомологичными (греч. «гомология» - согласие).
Исследования кон формации белковых молекул показали, что полипептидные цепи не вытягиваются строго линейно, а определенным образом сворачиваются в пространстве, образуя вторичную структуру.
Вторичная структура белка представляет собой сочетание упорядоченных и аморфных участков полипептидной цепи.
Изучая кристаллические структуры соединений, содержащих амидные группы, американский биохимик Л. Полинг установил, что длина пептидной связи близка к длине двойной связи и составляет 0,1325 нм. Поэтому свободное вращение атомов углерода и азота вокруг пептидной связи затруднено.
Кроме того, атомы пептидных групп и α-углеродные атомы располагаются в полипептидной цепи приблизительно в одной плоскости. В связи с этим повороты в полипептидной цепи могут совершаться только по связям, примыкающим к углеродным атомам.
За счет поворотов пептидных групп вокруг α-углеродных атомов, как установили Л. Полинг и Р. Кори в начале 50-х годов прошлого века, полипептидная цепочка сворачивается в α-спираль и стабилизируется за счет образования максимально возможного числа водородных связей.
При образовании вторичной структуры белковой молекулы водородные связи возникают между атомами пептидных групп, расположенными на соседних витках ос-спирали друг против друга. Атом водорода, соединенный ковалентной связью с атомом азота, имеет некоторый положительный заряд. Атом кислорода, соединенный двойной связью с атомом углерода, имеет некоторый отрицательный заряд. Водородный атом, оказавшись напротив атома кислорода, связывается с ним водородной связью. Водородная связь слабая. Однако за счет образования большого числа этих связей обеспечивается сохранение строго упорядоченной структуры.
Водородные связи всегда направлены параллельно воображаемой оси а-спирали, а радикалы аминокислот - наружу от ее витков. Пептидные группы соединяются между собой водородными связями преимущественно через четыре аминокислотных остатка, так как именно их О-С- и H-N-группы оказываются пространственно сближенными.
А-Спираль является правозакрученной. Если смотреть на нее с торца, со стороны N-конца, то закручивание полипептидной цепочки происходит по часовой стрелке. Установлены параметры а-спирали. Расстояние между соседними витками (шаг спирали) составляет ∅54 нм, а внутренний диаметр спирали - 1,01 нм. Один полный виток спирали включает в себя 3,6 аминокислотных остатка. Полное повторение структуры α-спирали происходит каждые 5 витков, включающих в себя 18 аминокислотных остатков. Этот отрезок α-спирали называется периодом идентичности и составляет в длину 2,7 нм.
Полипептидные цепочки сворачиваются в а-спираль не на всем своем протяжении. Процентное содержание заспирализованных участков в белковой молекуле называется степенью спирализации . Белки существенно различаются по степени спирализации, например: для гемоглобина крови она очень высокая - 75%, для инсулина также довольно высокая - 60%, для альбумина куриного яйца значительно ниже - 45%, а для химотрипсиногена (неактивного предшественника фермента пищеварения) крайне низкая - всего 11%.
Различия в степени спирализации белков связаны с рядом факторов, мешающих регулярному образованию водородных связей между пептидными группами. К нарушению спирализации приводит, в частности, образование остатками цистеина дисульфидных связей, соединяющих различные участки одной или нескольких полипептидных цепей. В области, близкой к остатку иминокислоты пролина, вокруг α-углеродного атома которого невозможно вращение соседних атомов, в полипептидной цепи образуется изгиб.
Ряд протеиногенных аминокислот обладают такими радикалами, которые не позволяют им принимать участие в формировании α-спирали. Эти аминокислоты образуют параллельно расположенные складки, соединенные друг с другом водородными связями. Такой тип регулярного участка полипептидной цепи получил название структуры складчатого слоя, или β-структуры.
В отличие от а-спирали, имеющей стержневую форму, β-структура имеет форму складчатого листа. Она стабилизируется водородными связями, возникающими между пептидными группами, расположенными на соседних отрезках полипептидной цепи. Эти отрезки могут быть направлены либо в одну сторону - тогда образуется параллельная β-структура, либо в противоположные - в этом случае возникает антипараллельная β-структура.
Пептидные группы в β-структуре располагаются в плоскостях складок, а боковые радикалы аминокислот - над и под плоскостями. Расстояние между соседними участками полипептидной цепи в структуре складчатого слоя составляет 0,272 нм, что соответствует длине водородной связи между группами -СО- и -NH-. Сами водородные связи располагаются перпендикулярно направлению структуры складчатого слоя. Содержание β-структуры в различных белках колеблется в широких пределах.
Некоторые участки полипептидных цепочек не имеют какой-либо упорядоченной структуры и представляют собой беспорядочные клубки. Такие участки называются аморфными (греч. «аморфос» - бесформенный). Однако в каждом белке аморфные участки имеют свою фиксированную конформацию. При этом в отличие от относительно жестких участков - α-спирали и β-структуры - аморфные клубки могут сравнительно легко изменять свою конформацию.
Белки различаются по содержанию разных типов вторичной структуры. Например, в структуре гемоглобина обнаружены только α-спирали. во многих ферментах присутствуют различные сочетания как α-спиралей так и β-структур, среди иммуноглобулинов встречаются белки, имеющие только β-структуру. Наконец, встречаются и такие белки, у которых упорядоченные участки присутствуют в незначительном количестве, а большая часть полипептидной цепочки имеет аморфную структуру.
Полипептидные цепочки со сформированной вторичной структурой определенным образом располагаются в пространстве, создавая еще один уровень структурной организации белковой молекулы - третичную структуру.
Третичная структура белка образуется в результате специфической укладки упорядоченных и аморфных участков полипептидной цепи в некотором объеме пространства. Она поддерживается за счет сильных и слабых взаимодействий, возникающих между боковыми радикалами остатков аминокислот. К сильным взаимодействиям относится дисульфидная связь, а к слабым - водородная и ионная связи, а также гидрофобные взаимодействия.
Дисульфидная связь образуется при взаимодействии двух близко расположенных радикалов остатков цистеина, содержащих свободные сульфгидрильные группы.
Дисульфидные мостики могут соединять между собой не только отдельные участки внутри одной полипептидной цепи, но и (при образовании четвертичной структуры белка) различные полипептидные цепочки.
Водородная связь может возникать между боковыми радикалами остатков аминокислот, содержащих ОН-группы, например, между двумя остатками серина.
Кроме радикалов остатков серина, подобным образом водородные связи могут образовывать радикалы остатков треонина и тирозина.
В формировании третичной структуры белковой молекулы также принимают участие множество водородных связей, возникающих между боковыми радикалами, например: тирозина и глутаминовой кислоты, аспарагина и серина, лизина и глутамина и др.
Ионные связи возникают при сближении отрицательно заряженных радикалов остатков кислых аминокислот - аспарагиновой или глутаминовой - с положительно заряженными радикалами остатков основных аминокислот - лизина, аргинина или гистидина. Ионная связь между радикалами остатков аспарагиновой кислоты и лизина.
Гидрофобные взаимодействия возникают в воде, вследствие притяжения друг к другу неполярных радикалов остатков аминокислот. К аминокислотам с неполярными радикалами относятся, например, аланин, валин, лейцин, изолейцин, фенилаланин, метионин. Гидрофобное взаимодействие между боковыми радикалами остатков валина и аланина.
Чтобы избежать контакта с водой, неполярные радикалы остатков аминокислот стремятся собраться вместе внутри белковой молекулы. Белок сворачивается в компактное тело - глобулу (лат. «globulus» - шарик). Внутри глобулы образуется гидрофобное ядро, а снаружи нее находятся полярные радикалы остатков аминокислот, которые взаимодействуют с водой. Полярными радикалами обладают, например, кислые и основные аминокислоты, серии, треонин, тирозин, аспарагин, глутамин.
Таким образом, каждая белковая глобула окружена гидратной оболочкой, представленной так называемой «водяной шубой», включающей также структурированные молекулы воды, способные удерживать на поверхности глобулы до половины имеющихся в полипептидной цепочке гидрофобных радикалов. Этим обусловлена растворимость белка.
Благодаря множеству межрадикальных взаимодействий, отдельные участки белковой молекулы оказываются пространственно сближенными и зафиксированными относительно друг друга. В ходе образования третичной структуры белка формируется его активный центр. В результате белок приобретает способность выполнять свою биологическую функцию.
Первым белком, третичная структура которого была установлена, является миоглобин.
Третичные глобулы могут взаимодействовать между собой так, что возникает единая молекула. Такие глобулы называют субъединицами, а их объединение - четвертичной структурой белковой молекулы.
Четвертичная структура белка может строиться из различного числа субъединиц, удерживаемых вместе, главным образом, за счет слабых взаимодействий. Она присуща многим белкам.
Субъединицы, характерным образом расположенные в пространстве относительно друг друга, образуют олигомерный (мультимерный) комплекс. Способность белков к образованию таких структур позволяет объединять в единое целое несколько активных центров и взаимосвязанных функций, что очень важно для обеспечения протекания в клетке сложных обменных процессов.
Четвертичные структуры белков могут строиться из 2, 4, 6, 8,10, 12, 24 и более субъединиц и редко - из нечетного их числа. Например, четвертичную структуру гемоглобина образуют четыре попарно одинаковых субъединицы.
Четвертичная структура белковой молекулы является такой же уникальной, как и другие ее структуры. При этом вся трехмерная упаковка полипептидной цепи в пространстве определяется ее первичной структурой. Специфическая пространственная структура (конформация), в которой белковые молекулы обладают биологической активностью, называется нативиой (лат. nativus - врожденный).
Типы связей между аминокислотами в молекуле белка
1. Ковалентные связи - обычные прочные химические связи.
а) пептидная связь
б) дисульфидная связь
2. Нековалентные (слабые) типы связей - физико-химические взаимодействия родственных структур. В десятки раз слабее обычной химической связи. Очень чувствительны к физико-химическим условиям среды. Они неспецифичны, то есть соединяются друг с другом не строго определенные химические группировки, а самые разнообразные химические группы, но отвечающие определенным требованиям.
а) Водородная связь
б) Ионная связь
в) Гидрофобное взаимодействие
ПЕПТИДНАЯ СВЯЗЬ.
Формируется за счет COOH-группы одной аминокислоты и NH 2 -группы соседней аминокислоты. В названии пептида окончания названий всех аминокислот, кроме последней, находящейся на «С»-конце молекулы меняются на «ил»
Тетрапептид: валил-аспарагил-лизил-серин
 |
Пептидная связь формируется только за счет альфа-аминогруппы и соседней cooh-группы общего для всех аминокислот фрагмента молекулы! Если карбоксильные и аминогруппы входят в состав радикала, то они никогда не участвуют в формировании пептидной связи в молекуле белка.
Любой белок - это длинная неразветвленная полипептидная цепь, содержащая десятки, сотни, а иногда более тысячи аминокислотных остатков. Но какой бы длины ни была полипептидная цепь, всегда в основе ее - стержень молекулы, абсолютно одинаковый у всех белков. Каждая полипептидная цепь имеет N-конец, на котором находится свободная концевая аминогруппа и С-конец, образованный концевой свободной карбоксильной группой. На этом стержне сидят как боковые веточки радикалы аминокислот. Числом, соотношением и чередованием этих радикалов один белок отличается от другого. Сама пептидная связь является частично двойной в силу лактим-лактамной таутомерии. Поэтому вокруг нее невозможно вращение, а сама она по прочности в полтора раза превосходит обычную ковалентную связь. На рисунке видно, что из каждых трех ковалентных связей в стержне молекулы пептида или белка две являются простыми и допускают вращение, поэтому стержень (вся полипептидная цепь) может изгибаться в пространстве.
Хотя пептидная связь довольно прочная, ее сравнительно легко можно разрушить химическим путем – кипячением белка в крепком растворе кислоты или щелочи в течении 1-3 суток.
К ковалентным связям в молекуле белка помимо пептидной, относится также дисульфидная связь .
Цистеин - аминокислота, которая в радикале имеет SH-группу, за счет которой и образуются дисульфидные связи.
 |
Дисульфидная связь - это ковалентная связь. Однако биологически она гораздо менее устойчива, чем пептидная связь. Это объясняется тем, что в организме интенсивно протекают окислительно-восстановительные процессы. Дисульфидная связь может возникать между разными участками одной и той же полипептидной цепи, тогда она удерживает эту цепь в изогнутом состоянии. Если дисульфидная связь возникает между двумя полипептидами, то она объединяет их в одну молекулу.
Слабые типы связейВ десятки раз слабее ковалентных связей. Это не определенные типы связей, а неспецифическое взаимодействие, которое возникает между разными химическими группировками, имеющими высокое сродство друг к другу (сродство – это способность к взаимодействию). Например: противоположно заряженные радикалы.
Таким образом, слабые типы связей - это физико-химические взаимодействия. Поэтому они очень чувствительны к изменениям условий среды (температуры, pH среды, ионной силы раствора и так далее).
Водородная связь - это связь, возникающая между двумя электроотрицательными атомами за счет атома водорода, который соединен с одним из электроотрицательных атомов ковалентно (см. рисунок).
 |
Водородная связь примерно в 10 раз слабее, чем ковалентная. Если водородные связи повторяются многократно, то они удерживают полипептидные цепочки с высокой прочностью. Водородные связи очень чувствительны к условиям внешней среды и присутствию в ней веществ, которые сами способны образовывать такие связи (например, мочевина).
Ионная связь - возникает между положительно и отрицательно заряженными группировками (дополнительные карбоксильные и аминогруппы), которые встречаются в радикалах лизина, аргинина, гистидина, аспарагиновой и глутаминовой кислот.
 |
Гидрофобное взаимодействие - неспецифическое притяжение, возникающее в молекуле белка между радикалами гидрофобных аминокислот - вызывается силами Ван-дер-Ваальса и дополняется выталкивающей силой воды. Гидрофобное взаимодействие ослабевает или разрывается в присутствии различных органических растворителей и некоторых детергентов. Например, некоторые последствия действия этилового спирта при проникновении его внутрь организма обусловлены тем, что под его влиянием ослабляются гидрофобные взаимодействия в молекулах белков.
Пространственная организация белковой молекулы
В основе каждого белка лежит полипептидная цепь. Она не просто вытянута в пространстве, а организована в трехмерную структуру. Поэтому существует понятие о 4-х уровнях пространственной организации белка, а именно - первичной, вторичной, третичной и четвертичной структурах белковых молекул.
ПЕРВИЧНАЯ СТРУКТУРАПервичная структура белка - последовательность аминокислотных фрагментов, прочно (и в течение всего периода существования белка) соединенных пептидными связями. Существует период полужизни белковых молекул - для большинства белков около 2-х недель. Если произошел разрыв хотя бы одной пептидной связи, то образуется уже другой белок.
ВТОРИЧНАЯ СТРУКТУРАВторичная структура - это пространственная организация стержня полипептидной цепи. Существуют 3 главнейших типа вторичной структуры:
1) Альфа-спираль - имеет определенные характеристики: ширину, расстояние между двумя витками спирали. Для белков характерна правозакрученная спираль. В этой спирали на 10 витков приходится 36 аминокислотных остатков. У всех пептидов, уложенных в такую спираль, эта спираль абсолютно одинакова. Фиксируется альфа-спираль с помощью водородных связей между NH-группами одного витка спирали и С=О группами соседнего витка. Эти водородные связи расположены параллельно оси спирали и многократно повторяются, поэтому прочно удерживают спиралеобразную структуру. Более того, удерживают в несколько напряженном состоянии (как сжатую пружину).
Бета-складчатая структура - или структура складчатого листа. Фиксируется также водородными связями между С=О и NH-группами. Фиксирует два участка полипептидной цепи. Эти цепи могут быть параллельны или антипараллельны. Если такие связи образуются в пределах одного пептида, то они всегда антипараллельны, а если между разными полипептидами, то параллельны.
3) Нерегулярная структура - тип вторичной структуры, в котором расположение различных участков полипептидной цепи относительно друг друга не имеет регулярного (постоянного) характера, поэтому нерегулярные структуры могут иметь различную конформацию.
ТРЕТИЧНАЯ СТРУКТУРАЭто трехмерная архитектура полипептидной цепи – особое взаимное расположение в пространстве спиралеобразных, складчатых и нерегулярных участков полипептидной цепи. У разных белков третичной структуры различна. В формировании третичной структуры участвуют дисульфидные связи и все слабые типы связей.
Выделяют два общих типа третичной структуры:
1) В фибриллярных белках (например, коллаген, эластин) молекулы которых имеют вытянутую форму и обычно формируют волокнистые структуры тканей, третичная структура представлена либо тройной альфа-спиралью (например, в коллагене), либо бета-складчатыми структурами.
2) В глобулярных белках, молекулы которых имеют форму шара или эллипса (латинское название: GLOBULA - шар), встречается сочетание всех трех типов структур: всегда есть нерегулярные участки, есть бета-складчатые структуры и альфа-спирали.
Обычно в глобулярных белках гидрофобные участки молекулы находятся в глубине молекулы. Соединяясь между собой, гидрофобные радикалы образуют гидрофобные кластеры (центры). Формирование гидрофобного кластера вынуждает молекулу соответствующим образом изгибаться в пространстве. Обычно в молекуле глобулярного белка бывает несколько гидрофобных кластеров в глубине молекулы. Это является проявлением двойственности свойств белковой молекулы: на поверхности молекулы - гидрофильные группировки, поэтому молекула в целом - гидрофильная, а в глубине молекулы - спрятаны гидрофобные радикалы.
ЧЕТВЕРТИЧНАЯ СТРУКТУРАВстречается не у всех белков, а только у тех, которые состоят из двух или более полипептидных цепей. Каждая такая цепь называется субъединицей данной молекулы (или протомером). Поэтому белки, обладающие четвертичной структурой, называют олигомерными белками. В состав белковой молекулы могут входить одинаковые или разные субъединицы. Например, молекула гемоглобина «А» состоит из двух субъединиц одного типа и двух субъединиц другого типа, то есть является тетрамером. Фиксируются четвертичные структуры белков всеми типами слабых связей, а иногда еще и дисульфидными связями.
КОНФИГУРАЦИЯ И КОНФОРМАЦИЯ БЕЛКОВОЙ МОЛЕКУЛЫИз всего сказанного можно заключить, что пространственная организация белков очень сложна. В химии существует понятие - пространственная конфигурация - жестко закрепленное ковалентными связями пространственное взаимное расположение частей молекулы (например: принадлежность к L-ряду стереоизомеров или к D-ряду).
Для белков также используется понятие конформация белковой молекулы - определенное, но не застывшее, не неизменное взаимное расположение частей молекулы. Так как конформация белковой молекулы формируется при участии слабых типов связей, то она является подвижной (способной к изменениям), и белок может изменять свою структуру. В зависимости от условий внешней среды молекула может существовать в разных конформационных состояниях, которые легко переходят друг в друга. Энергетически выгодными для реальных условий являются только одно или несколько конформационных состояний, между которыми существует равновесие. Переходы из одного конформационного состояния в другое обеспечивают функционирование белковой молекулы. Это обратимые конформационные изменения (встречаются в организме, например, при проведении нервного импульса, при переносе кислорода гемоглобином). При изменении конформации часть слабых связей разрушается, и образуются новые связи слабого типа.
ЛИГАНДЫВзаимодействие белка с каким-нибудь веществом иногда приводит к связыванию молекулы этого вещества молекулой белка. Этот явление известно как «сорбция» (связывание). Обратный же процесс - освобождение другой молекулы от белковой называется «десорбция».
Если для какой-нибудь пары молекул процесс сорбции преобладает над десорбцией, то это уже специфическая сорбция, а вещество, которое сорбируется, называется «лиганд».
Виды лигандов:
1) Лиганд белка-фермента – субстрат.
2) Лиганд траспортного белка – транспортируемое вещество.
3) Лиганд антитела (иммуноглобулина) – антиген.
4) Лиганд рецептора гормона или нейромедиатора – гормон или нейромедиатор.
Белок может изменять свою конформацию не только при взаимодействии с лигандом, но и в результате любого химического взаимодействия. Примером такого взаимодействия может служить присоединение остатка фосфорной кислоты.
В природных условиях белки имеют несколько термодинамически выгодных конформационных состояний. Это нативные состояния (природные). Natura (лат.) – природа.
НАТИВНОСТЬ БЕЛКОВОЙ МОЛЕКУЛЫНативность - это уникальный комплекс физических, физико-химических, химических и биологических свойств белковой молекулы, который принадлежит ей, когда молекула белка находится в естественном, природном (нативном) состоянии.
Например: белок хрусталика глаза - кристаллин - обладает высокой прозрачностью только в нативном состоянии).
ДЕНАТУРАЦИЯ БЕЛКАДля обозначения процесса, при котором нативные свойства белка теряются, используют термин денатурация.
Денатурация - это лишение белка его природных, нативных свойств, сопровождающееся разрушением четвертичной (если она была), третичной, а иногда и вторичной структуры белковой молекулы, которое возникает при разрушении дисульфидных и слабых типов связей, участвующих в образовании этих структур. Первичная структура при этом сохраняется, потому что она сформирована прочными ковалентными связями. Разрушение первичной структуры может произойти только в результате гидролиза белковой молекулы длительным кипячением в растворе кислоты или щелочи.
ФАКТОРЫ, ВЫЗЫВАЮЩИЕ ДЕНАТУРАЦИЮ БЕЛКОВФакторы, которые вызывают денатурацию белков, можно разделить на физические и химические.
Физические факторы
1. Высокие температуры. Для разных белков характерна различная чувствительность к тепловому воздействию. Часть белков подвергается денатурации уже при 40-50°С. Такие белки называют термолабильными . Другие белки денатурируют при гораздо более высоких температурах, они являются термостабильными .
2. Ультрафиолетовое облучение
3. Рентгеновское и радиоактивное облучение
4. Ультразвук
5. Механическое воздействие (например, вибрация).
Химические факторы
1. Концентрированные кислоты и щелочи. Например, трихлоруксусная кислота (органическая), азотная кислота (неорганическая).
2. Соли тяжелых металлов (например, CuSO 4).
3. Органические растворители (этиловый спирт, ацетон)
4. Растительные алкалоиды.
5. Мочевина в высоких концентрациях
 |
5. Другие вещества, способные нарушать слабые типы связей в молекулах белков.
Воздействие факторами денатурации применяют для стерилизации оборудования и инструментов, а также как антисептики.
Обратимость денатурацииВ пробирке (in vitro) чаще всего это – необратимый процесс. Если же денатурированный белок поместить в условия, близкие к нативным, то он может ренатурировать, но очень медленно, и такое явление характерно не для всех белков.
In vivo, в организме, возможна быстрая ренатурация. Это связано с выработкой в живом организме специфических белков, которые «узнают» структуру денатурированного белка, присоединяются к нему с помощью слабых типов связи и создают оптимальные условия для ренатурации. Такие специфические белки известны как «белки теплового шока» или «белки стресса».
Белки стрессаСуществует несколько семейств этих белков, они отличаются по молекулярной массе.
Например, известен белок hsp 70 – heatshock protein массой 70 kDa.
Такие белки есть во всех клетках организма. Они выполняют также функцию транспорта полипептидных цепей через биологические мембраны и участвуют в формировании третичной и четвертичной структур белковых молекул. Перечисленные функции белков стресса называются шаперонными. При различных видах стресса происходит индукция синтеза таких белков: при перегреве организма (40-44°С), при вирусных заболеваниях, отравлениях солями тяжелых металлов, этанолом и др.
В организме южных народов установлено повышенное содержание белков стресса, по сравнению с северной расой.
Молекула белка теплового шока состоит из двух компактных глобул, соединенных свободной цепью:
Разные белки
теплового шока имеют общий план построения. Все они содержат контактные домены.
Разные белки с различными функциями могут содержать одинаковые домены. Например, различные кальций-связывающие белки имеют одинаковый для всех них домен, отвечающий за связывание Ca +2 .
Роль доменной структуры заключается в том, что она предоставляет белку большие возможности для выполнения своей функции благодаря перемещениям одного домена по отношению к другому. Участки соединения двух доменов – самое слабое в структурном отношении место в молекуле таких белков. Именно здесь чаще всего происходит гидролиз связей, и белок разрушается.
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.
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).
Все аминокислоты содержат : 1) карбоксильную группу (-СООН), 2) аминогруппу (-NH 2), 3) радикал или R-группу (остальная часть молекулы). Строение радикала у разных видов аминокислот — различное. В зависимости от количества аминогрупп и карбоксильных групп, входящих в состав аминокислот, различают: нейтральные аминокислоты , имеющие одну карбоксильную группу и одну аминогруппу; основные аминокислоты , имеющие более одной аминогруппы; кислые аминокислоты , имеющие более одной карбоксильной группы.
Аминокислоты являются амфотерными соединениями , так как в растворе они могут выступать как в роли кислот, так и оснований. В водных растворах аминокислоты существуют в разных ионных формах.
Пептидная связь
Пептиды — органические вещества, состоящие из остатков аминокислот, соединенных пептидной связью.
Образование пептидов происходит в результате реакции конденсации аминокислот. При взаимодействии аминогруппы одной аминокислоты с карбоксильной группой другой между ними возникает ковалентная азот-углеродная связь, которую и называют пептидной . В зависимости от количества аминокислотных остатков, входящих в состав пептида, различают дипептиды, трипептиды, тетрапептиды и т.д. Образование пептидной связи может повторяться многократно. Это приводит к образованию полипептидов . На одном конце пептида находится свободная аминогруппа (его называют N-концом), а на другом — свободная карбоксильная группа (его называют С-концом).
Пространственная организация белковых молекул
Выполнение белками определенных специфических функций зависит от пространственной конфигурации их молекул, кроме того, клетке энергетически невыгодно держать белки в развернутой форме, в виде цепочки, поэтому полипептидные цепи подвергаются укладке, приобретая определенную трехмерную структуру, или конформацию. Выделяют 4 уровня пространственной организации белков .
Первичная структура белка — последовательность расположения аминокислотных остатков в полипептидной цепи, составляющей молекулу белка. Связь между аминокислотами — пептидная.
Если молекула белка состоит всего из 10 аминокислотных остатков, то число теоретически возможных вариантов белковых молекул, отличающихся порядком чередования аминокислот, — 10 20 . Имея 20 аминокислот, можно составить из них еще большее количество разнообразных комбинаций. В организме человека обнаружено порядка десяти тысяч различных белков, которые отличаются как друг от друга, так и от белков других организмов.
Именно первичная структура белковой молекулы определяет свойства молекул белка и ее пространственную конфигурацию. Замена всего лишь одной аминокислоты на другую в полипептидной цепочке приводит к изменению свойств и функций белка. Например, замена в β-субъединице гемоглобина шестой глутаминовой аминокислоты на валин приводит к тому, что молекула гемоглобина в целом не может выполнять свою основную функцию — транспорт кислорода; в таких случаях у человека развивается заболевание — серповидноклеточная анемия.
Вторичная структура — упорядоченное свертывание полипептидной цепи в спираль (имеет вид растянутой пружины). Витки спирали укрепляются водородными связями, возникающими между карбоксильными группами и аминогруппами. Практически все СО- и NН-группы принимают участие в образовании водородных связей. Они слабее пептидных, но, повторяясь многократно, придают данной конфигурации устойчивость и жесткость. На уровне вторичной структуры существуют белки: фиброин (шелк, паутина), кератин (волосы, ногти), коллаген (сухожилия).
Третичная структура — укладка полипептидных цепей в глобулы, возникающая в результате возникновения химических связей (водородных, ионных, дисульфидных) и установления гидрофобных взаимодействий между радикалами аминокислотных остатков. Основную роль в образовании третичной структуры играют гидрофильно-гидрофобные взаимодействия. В водных растворах гидрофобные радикалы стремятся спрятаться от воды, группируясь внутри глобулы, в то время как гидрофильные радикалы в результате гидратации (взаимодействия с диполями воды) стремятся оказаться на поверхности молекулы. У некоторых белков третичная структура стабилизируется дисульфидными ковалентными связями, возникающими между атомами серы двух остатков цистеина. На уровне третичной структуры существуют ферменты, антитела, некоторые гормоны.
Четвертичная структура характерна для сложных белков, молекулы которых образованы двумя и более глобулами. Субъединицы удерживаются в молекуле благодаря ионным, гидрофобным и электростатическим взаимодействиям. Иногда при образовании четвертичной структуры между субъединицами возникают дисульфидные связи. Наиболее изученным белком, имеющим четвертичную структуру, является гемоглобин . Он образован двумя α-субъединицами (141 аминокислотный остаток) и двумя β-субъединицами (146 аминокислотных остатков). С каждой субъединицей связана молекула гема, содержащая железо.
Если по каким-либо причинам пространственная конформация белков отклоняется от нормальной, белок не может выполнять свои функции. Например, причиной «коровьего бешенства» (губкообразной энцефалопатии) является аномальная конформация прионов — поверхностных белков нервных клеток.
Свойства белков
Аминокислотный состав, структура белковой молекулы определяют его свойства . 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 рН крови на постоянном уровне. Есть белки растворимые (фибриноген), есть нерастворимые, выполняющие механические функции (фиброин, кератин, коллаген). Есть белки активные в химическом отношении (ферменты), есть химически неактивные, устойчивые к воздействию различных условий внешней среды и крайне неустойчивые.
Внешние факторы (нагревание, ультрафиолетовое излучение, тяжелые металлы и их соли, изменения рН, 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. |
| Энергетическая | При распаде 1 г белка до конечных продуктов выделяется 17,6 кДж. Сначала белки распадаются до аминокислот, а 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. |
| Каталитическая | Одна из важнейших функций белков. Обеспечивается белками — ферментами, которые ускоряют биохимические реакции, происходящие в клетках. Например, рибулезобифосфаткарбоксилаза катализирует фиксацию СО 2 при фотосинтезе. |
Ферменты
Ферменты , или энзимы , — особый класс белков, являющихся биологическими катализаторами. Благодаря ферментам биохимические реакции протекают с огромной скоростью. Скорость ферментативных реакций в десятки тысяч раз (а иногда и в миллионы) выше скорости реакций, идущих с участием неорганических катализаторов. Вещество, на которое оказывает свое действие фермент, называют субстратом .
Ферменты — глобулярные белки, по особенностям строения ферменты можно разделить на две группы: простые и сложные. Простые ферменты являются простыми белками, т.е. состоят только из аминокислот. Сложные ферменты являются сложными белками, т.е. в их состав помимо белковой части входит группа небелковой природы — кофактор . У некоторых ферментов в качестве кофакторов выступают витамины. В молекуле фермента выделяют особую часть, называемую активным центром. Активный центр — небольшой участок фермента (от трех до двенадцати аминокислотных остатков), где и происходит связывание субстрата или субстратов с образованием фермент-субстратного комплекса. По завершении реакции фермент-субстратный комплекс распадается на фермент и продукт (продукты) реакции. Некоторые ферменты имеют (кроме активного) аллостерические центры — участки, к которым присоединяются регуляторы скорости работы фермента (аллостерические ферменты ).
Для реакций ферментативного катализа характерны: 1) высокая эффективность, 2) строгая избирательность и направленность действия, 3) субстратная специфичность, 4) тонкая и точная регуляция. Субстратную и реакционную специфичность реакций ферментативного катализа объясняют гипотезы Э. Фишера (1890 г.) и Д. Кошланда (1959 г.).
Э. Фишер (гипотеза «ключ-замок») предположил, что пространственные конфигурации активного центра фермента и субстрата должны точно соответствовать друг другу. Субстрат сравнивается с «ключом», фермент — с «замком».
Д. Кошланд (гипотеза «рука-перчатка») предположил, что пространственное соответствие структуры субстрата и активного центра фермента создается лишь в момент их взаимодействия друг с другом. Эту гипотезу еще называют гипотезой индуцированного соответствия .
Скорость ферментативных реакций зависит от: 1) температуры, 2) концентрации фермента, 3) концентрации субстрата, 4) рН. Следует подчеркнуть, что поскольку ферменты являются белками, то их активность наиболее высока при физиологически нормальных условиях.
Большинство ферментов может работать только при температуре от 0 до 40 °С. В этих пределах скорость реакции повышается примерно в 2 раза при повышении температуры на каждые 10 °С. При температуре выше 40 °С белок подвергается денатурации и активность фермента падает. При температуре, близкой к точке замерзания, ферменты инактивируются.
При увеличении количества субстрата скорость ферментативной реакции растет до тех пор, пока количество молекул субстрата не станет равным количеству молекул фермента. При дальнейшем увеличении количества субстрата скорость увеличиваться не будет, так как происходит насыщение активных центров фермента. Увеличение концентрации фермента приводит к усилению каталитической активности, так как в единицу времени преобразованиям подвергается большее количество молекул субстрата.
Для каждого фермента существует оптимальное значение рН, при котором он проявляет максимальную активность (пепсин — 2,0, амилаза слюны — 6,8, липаза поджелудочной железы — 9,0). При более высоких или низких значениях рН активность фермента снижается. При резких сдвигах рН фермент денатурирует.
Скорость работы аллостерических ферментов регулируется веществами, присоединяющимися к аллостерическим центрам. Если эти вещества ускоряют реакцию, они называются активаторами , если тормозят — ингибиторами .
Классификация ферментов
По типу катализируемых химических превращений ферменты разделены на 6 классов:
- оксиредуктазы (перенос атомов водорода, кислорода или электронов от одного вещества к другому — дегидрогеназа),
- трансферазы (перенос метильной, ацильной, фосфатной или аминогруппы от одного вещества к другому — трансаминаза),
- гидролазы (реакции гидролиза, при которых из субстрата образуются два продукта — амилаза, липаза),
- лиазы (негидролитическое присоединение к субстрату или отщепление от него группы атомов, при этом могут разрываться связи С-С, С-N, С-О, С-S — декарбоксилаза),
- изомеразы (внутримолекулярная перестройка — изомераза),
- лигазы (соединение двух молекул в результате образования связей С-С, С-N, С-О, С-S — синтетаза).
Классы в свою очередь подразделены на подклассы и подподклассы. В действующей международной классификации каждый фермент имеет определенный шифр, состоящий из четырех чисел, разделенных точками. Первое число — класс, второе — подкласс, третье — подподкласс, четвертое — порядковый номер фермента в данном подподклассе, например, шифр аргиназы — 3.5.3.1.
Перейти к лекции №2 «Строение и функции углеводов и липидов»
Перейти к лекции №4 «Строение и функции нуклеиновых кислот АТФ»
Это биополимеры, мономерами которых являются аминокислоты.
Аминокислоты представляют собой низкомолекулярные органические соединения, содержащие карбоксильную (-СООН) и аминную (-NH 2) группы, которые связаны с одним и тем же атомом углерода. К атому углерода присоединяется боковая цепь - какой-либо радикал, придающий каждой аминокислоте определенные свойства.
У большей части аминокислот имеется одна карбоксильная группа и одна аминогруппа; эти аминокислоты называются нейтральными . Существуют, однако, и основные аминокислоты - с более чем одной аминогруппой, а также кислые аминокислоты - с более чем одной карбоксильной группой.
Известно около 200 аминокислот, встречающихся в живых организмах, однако только 20 из них входят в состав белков. Это так называемые основные или протеиногенные аминокислоты.
В зависимости от радикала основные аминокислоты делят на 3 группы:
- Неполярные (аланин, метионин, валин, пролин, лейцин, изолейцин, триптофан, фенилаланин);
- Полярные незаряженные (аспарагин, глутамин, серин, глицин, тирозин, треонин, цистеин);
- Заряженные (аргинин, гистидин, лизин - положительно; аспарагиновая и глутаминовая кислота - отрицательно).
Боковые цепи аминокислот (радикал) могут быть гидрофобными и гидрофильными и придают белкам соответствующие свойства.
У растений все необходимые аминокислоты синтезируются из первичных продуктов фотосинтеза. Человек и животные не способны синтезировать ряд протеиногенных аминокислот и должны получать их в готовом виде вместе с пищей. Такие аминокислоты называются незаменимыми. К ним относятся лизин, валин, лейцин, изолейцин, треонин, фенилаланин, триптофан, метионин; аргинин и гистидин - незаменимые для детей.
В растворе аминокислоты могут выступать в роли как кислот, так и оснований, т. е. они являются амфотерными соединениями. Карбоксильная группа (-СООН) способна отдавать протон, функционируя как кислота, а аминная (-NH2) принимать протон, проявляя таким образом свойства основания.
Аминогруппа одной аминокислоты способна вступать в реакцию с карбоксильной группой другой аминокислоты. Образующаяся при этом молекула представляет собой дипептид , а связь -СО-NH- называется пептидной связью.
На одном конце молекулы дипептида находится свободная аминогруппа, а на другом - свободная карбоксильная группа. Благодаря этому дипептид может присоединять к себя другие аминокислоты, образуя олигопептиды. Если таким образом соединяется много аминокислот (более 10), то образуется полипептид .
Пептиды играют важную роль в организме. Многие алигопептиды являются гормонами. Таковы окситоцин, вазопрессин, тиролиберин, тиреотропин и др. К олигопептидам относится также брадикидин (пептид боли) и некоторые опиаты («естественные наркотики» человека), выполняющие функцию обезболивания. Принятие наркотиков разрушает опиатную систему организма, поэтому наркоман без дозы наркотиков испытывает 1 сильную боль - «ломку», которая в норме снимается опиатами.
К олигопептидам относятся некоторые антибиотики (например, грамицидин S).
Многие гормоны (инсулин, адренокортикотропный гормон и др.), антибиотики (например, грамицидин А), токсины (например, дифтерийный токсин) являются полипептидами.
Белки представляют собой полипептиды, в молекулу которых входит от 50 до нескольких тысяч аминокислот с молекулярной массой свыше 10 000.
Каждому белку свойственна в определенной среде своя особая пространственная структура. При характеристике пространственной (трехмерной) структуры выделяют четыре уровня организации молекул белков.
Первичная структура - последовательность аминокислот в полипептид ной цепи. Первичная структура специфична для каждого белка и определяется генетической информацией, т.е. зависит от последовательности нуклеотидов в участке молекулы ДНК, кодирующем данный белок. От первичной структуры зависят все свойства и функции белков. Замена одной единственной аминокислоты в составе молекул белка или изменение их расположения обычно влечет за собой изменение функции белка. Так как в состав белков входит 20 видов аминокислот, число вариантов их комбинаций в пол и пептидной цепи поистине безгранично, что обеспечивает огромное количество видов белков в живых клетках.
В живых клетках молекулы белков или отдельные их участки представляют собой не вытянутую цепь, а скручены в спираль, напоминающую растянутую пружину (это так называемая α-спираль) или сложены в складчатый слой (β-слой). Вторичная структура возникает в результате образования водородных связей между -СО- и -NН 2 -группами двух пептидных связей внутри одной полипептидной цепи (спиральная конфигурация) или между двумя полипептидными цепями (складчатые слои).
Полностью α-спиральную конфигурацию имеет белок кератин. Это структурный белок волос, шерсти, ногтей, когтей, клюва, перьев и рогов. Спиральная вторичная структура характерна, помимо кератина, для таких фибриллярных (нитевидных) белков, как миозин, фибриноген, коллаген.
У большинства белков спиральные и неспиральные участки полипептидной цепи складываются в трехмерное образование шаровидной формы - глобулу (характерна для глобулярных белков). Глобула определенной конфигурации является третичной структурой белка. Третичная структура стабилизируется ионными, водородными связями, ковалентными дисульфидными связями (которые образуются между атомами серы, входящими в состав цистеина), а также гидрофобными взаимодействиями. Наиболее важными в возникновении третичной структуры являются гидрофобные взаимодействия; белок при этом свертывается таким образом, что его гидрофобные боковые цепи скрыты внутри молекулы, т. е. защищены от соприкосновения с водой, а гидрофильные боковые цепи, наоборот, выставлены наружу.
Многие белки с особо сложным строением состоят из нескольких полипептидных цепей, удерживаемых в молекуле вместе за счет гидрофобных взаимодействий, а также при помощи водородных и ионных связей - возникает четвертичная структура . Такая структура имеется, например, у глобулярного белка гемоглобина. Его молекула состоит из четырех отдельных полипептидных субъединиц (протомеров), находящихся в третичной структуре, и небелковой части - гема. Только в такой структуру гемоглобин способен выполнять свою транспортную функцию.
Под влиянием различных химических и физических факторов (обработка спиртом, ацетоном, кислотами, щелочами, высокой температурой, облучением, высоким давлением и т. д.) происходит изменение третичной и четвертичной структуры белка вследствие разрыва водородных и ионных связей. Процесс нарушения нативной (естественной) структуры белка называется денатурацией . При этом наблюдается уменьшение растворимости белка, изменение формы и размеров молекул, потеря ферментативной активности и т. д. Процесс денатурации иногда обратим, т. е. возвращение нормальных условий среды может сопровождаться самопроизвольным восстановлением естественной структуры белка. Такой процесс называется ренатурацией. Отсюда следует, что все особенности строения и функционирования макромолекулы белка определяются его первичной структурой.
По химическому составу выделяют белки простые и сложные. К простым относятся белки, состоящие только из аминокислот, а к сложным - содержащие белковую часть и небелковую (простатическую) - ионы металлов, углеводы, липиды и др. Простыми белками являются сывороточный альбумин крови, иммуноглобулин (антитела), фибрин, некоторые ферменты (трипсин) и др. Сложными белками являются все протеолипиды и гликопротеиды, гемоглобин, большинство ферментов и т.д.
Функции белков
Структурная.
Белки входят в состав клеточных мембран и органелл клетки. Стенки кровеносных сосудов, хрящи, сухожилия, волосы, ногти, когти у высших животных состоят преимущественно из белков.
Каталитическая (ферментативная).
Белки-ферменты катализируют протекание всех химических реакций в организме. Они обеспечивают расщепление питательных веществ в пищеварительном тракте, фиксацию углерода при фотосинтезе, реакции матричного синтеза и т. п.
Транспортная.
Белки способны присоединять и переносить различные вещества. Альбумины крови транспортируют жирные кислоты, глобулины - ионы металлов и гормоны. Гемоглобин переносит кислород и углекислый газ.
Молекулы белков, входящие в состав плазматической мембраны, принимают участие в транспорте веществ в клетку и из нее.
Защитная.
Ее выполняют иммуноглобулины (антитела) крови, обеспечивающие иммунную защиту организма. Фибриноген и тромбин участвуют в свертывании крови и предотвращают кровотечение.
Сократительная.
Обеспечивается движением относительно друг друга нитей белков актина и миозина в мышцах и внутри клеток. Скольжение микротрубочек, построенных из белка тубулина, объясняется движение ресничек и жгутиков.
Регуляторная.
Многие гормоны являются олигопептидами или белками, например: инсулин, глюкагон, аденокортикотропный гормон и др.
Рецепторная.
Некоторые белки, встроенные в клеточную мембрану, способны изменить свою структуру на действие внешней среды. Так происходят прием сигналов из внешней среды и передача информации в клетку. Примером может служить фитохром - светочувствительный белок, регулирующий фотопериодическую реакцию растений, и опсин - составная часть родопсина , пигмента, находящегося в клетках сетчатки глаза.