Структурная организация белковых молекул

Белки - очень крупные молекулы, молярная масса белков колеблется от 4-5 тысяч до 1 млн. грамм/моль (см. таблицу).

Белок	Мол.масса	Число ост.	Число цепей
Инсулин (бычий)	5733	51	2
Рибонуклеаза (из поджелудочной железы)	13683	124	1
Лизоцим (из яичного белка)	13930	129	1
Миоглобин (из миокарда лошади)	16890	153	1
Химотрипсин (из поджел. железы быка)	22600	241	3
Гемоглобин (человека)	64500	574	4
Сывороточный альбумин (человека)	68500	» 550	1
Гексокиназа (из дрожжей)	102000	» 800	2
g-Глобулин (лошади)	149900	»1250	4
Глутаматдегидрогеназа (из печени быка)	1000000	»8300	» 40

 

Некоторые белки в своем составе могут иметь химические группы небелковой природы. Такие белки называют сложными. Небелковый компонент сложных белков называют простетической группой. Сложные белки классифицируются по природе простетической группы. Например, липопротеины это белки, содержащие в своем составе липиды; в состав хромопротеинов входит хромофор – окрашенная группа небелковой природы. Частный случай, когда хромофором является гем. Эти белки называются гемопротеинами. К ним относятся гемоглобин, миоглобин и цитохромы. Простетические группы играют важную роль при функционировании сложного белка.

                               

Первичная структура белков

 Первичной структурой белка называют состав и последовательность аминокислотных остатков в белковой молекуле. Первичная структура белков стабилизируется пептидными связями, образующимися между α-карбоксильной группой одной аминокислоты и α-аминогруппой другой аминокислоты.

Каждый пептид имеет два конца. Конец, на котором находится свободная α-аминогруппа называется N-концом, а противоположный конец, на котором находится α-карбоксильная группа, называется С-концом. Нумерация аминокислотных остатков производится с N-конца.

Первичная структура является единственной, которая закодирована на генетическом уровне. Другие, более высокие уровни структурной организации белка определяются первичной структурой. Поэтому даже небольшие изменения первичной структуры могут значительно изменять свойства белка. Так, болезнь серповидноклеточная анемия является результатом замены всего 1 аминокислоты в b-цепи гемоглобина (Glu ® Val).

Конформация (пространственное расположение) полипептидных цепей в белках

Термин конформация используют для описания пространственного расположения в органической молекуле замещающих групп, способных свободно изменять свое положение в пространстве без разрыва каких бы то ни было связей.

Пептидная цепь обладает значительной гибкостью. В результате внутрицепочечных взаимодействий она приобретает определенную пространственную структуру – конформацию. В белках различают два уровня пространственной организации для одной полипептидной цепи: вторичную и третичную структуры белка. Для белков, содержащих несколько полипептидных цепей, рассматривают пространственную укладку этих цепей относительно друг друга - четвертичную структуру белка.

Вторичная структура белков

 ─ это укладка белковой молекулы в пространстве без учета влияния боковых заместителей. Выделяют три типа вторичной структуры: a-спираль и b- структуру (слоисто-складчатый слой) и беспорядочный клубок.

a -Спираль представляет из себя правую спираль с одинаковым шагом, равным 3,6 аминокислотных остатков. a-Спираль стабилизируется внутримолекулярными водородными связями, возникающими между атомами кислорода одной пептидной связи и атомами водорода четвертой по счету пептидной связи.

Боковые заместители расположены перпендикулярно плоскости a-спирали.

В слоисто-складчатом слое пептидные цепи (или участки одной и той же пептидной цепи) располагаются параллельно друг другу, образуя фигуру, подобную листу, сложенному гармошкой. Пептидных цепей, взаимодействующих между собой водородными связями, может быть большое количество. Расположены цепи антипараллельно.

Чем больше пептидных цепей входит в состав слоисто-складчатого слоя, тем прочнее молекула белка.

Аминокислоты различаются по способности участвовать в образовании a-спиралей и b-структур. Редко встречаются в a-спиралях глицин, аспарагин, тирозин. Пролин дестабилизирует a-спиральную структуру. Объясните, почему? В состав b-структур входит глицин, почти не встречаются пролин, глютаминовая кислота, аспарагин, гистидин, лизин, серин.

Не вся пептидная цепь имеет правильную структурную организацию, т.е. уложена в b-структуры и a-спирали. Некоторые участки не имеют какой-либо правильной структурной организации – их обозначают как беспорядочный клубок. На нерегулярных участках пептидная цепь может сравнительно легко изгибаться, менять конформацию, в то время, как спираль и складчатый слой представляют собой достаточно жесткие структуры. Содержание b-структур и a-спиралей в разных белках неодинаково.

Третичная структура белков

это трехмерная пространственная структура, образующаяся за счет взаимодействия между радикалами аминокислот, которые могут располагаться на значительном расстоянии друг от друга в пептидной цепи. Гидрофобные радикалы аминокислот имеют тенденцию к объединению внутри глобулярной структуры белков с помощью так называемых гидрофобных взаимодействий и межмолекулярных Ван-дер-ваальсовых сил, образуя плотное гидрофобное ядро. Гидрофильные ионизированные и неионизированные радикалы аминокислот в основном расположены на поверхности белка и определяют его растворимость в воде. Они способны взаимодействовать друг с другом с помощью ионных и водородных связей.

Гидрофильные неионизированные аминокислоты, оказавшиеся внутри гидрофобного ядра, могут взаимодействовать друг с другом с образованием водородных связей.

Ионные, водородные и гидрофобные связи относятся к числу слабых: их энергия ненамного превышает энергию теплового движения молекул при комнатной температуре.

Конформация белка поддерживается за счет возникновения множества таких слабых связей.

Третичная структура некоторых белков стабилизирована дисульфидными связями, образующимися за счет взаимодействия SH-групп двух остатков цистеина.

Большинство внутриклеточных белков не имеет ковалентных дисульфидных связей. Их наличие характерно для секретируемых клеткой белков, например дисульфидные связи имеются в молекулах инсулина и иммуноглобулинов.

Дисульфидные связи разрушаются под действием восстановителей. Это свойство используется для химической завивки волос, которые почти полностью представляют собой белок кератин, пронизанный дисульфидными связями.

Характер пространственной укладки определяется аминокислотным составом и чередованием аминокислот в полипептидной цепи (первичной структурой). Следовательно, каждый белок имеет только одну пространственную структуру, соответствующую его первичной структуре.

Кроме ковалентной дисульфидной все остальные связи, стабилизирующие третичную структуру, являются по своей природе слабыми и легко разрушаются. При разрыве большого числа связей, стабилизирующих пространственную структуру белковой молекулы, упорядоченная уникальная для каждого белка конформация нарушается, при этом часто теряется биологическая активность белка. Такое изменение в пространственном строении называется денатурацией.