Виды структур белка: введение для айтишников / Хабр

введение для айтишников / Хабр

Приятно видеть, что хабравчане регулярно интересуется другими предметными областями – например, биологией (более конкретно – структурой и функцией биологических макромолекул). Однако некоторые посты (например,

этот

), вызывают у специалиста просто физическую боль из-за обилия совершенно диких фактологических ошибок. В этом посте мне хочется рассказать о структуре и функции белка. О том, что мы знаем и о том, чего не знаем, а так же об имеющихся в этой области вычислительных задачах, требующих решения и интересных IT-специалистам. Постараюсь рассказывать сжато и тезисно, чтобы информации было больше, а воды – меньше. Всех, интересующихся структурой белков, прошу под кат, там очень много букв.

1. Почему белки важны?

Как сказал Фридрих Энгельс, “Жизнь есть способ существования белковых тел”. В 19 веке еще не знали о роли ДНК в наследовании генетической информации, но утверждение дяди Фридриха в значительной мере справедливо до сих пор – основную работу в наших клетках совершают именно белки. Это и поддержание структуры (формы клеток), и химический катализ, и моторная функция (сокращение мышц, например), и транспорт (скажем, белок гемоглобин переносит кислород из легких в ткани и углекислый газ в обратном направлении) и сложные регуляторные функции по поддержанию постоянства внутренней среды (скажем, белковые гормоны и всякие внутриклеточные регуляторные системы) и многие другие. Словом, если в нашем организме что-то происходит, в это обязательно вовлечены белки (хотя и не только они).

2. Что такое белок?

С химической точки зрения белок – это линейный (неветвящийся) полимер, состоящий из монотонно повторяющихся одинаковых блоков «основной цепи», к которым приделаны различные «боковые группы». Так как блоки основной цепи несимметричны, вся полипептидная цепь белка имеет направление, различают N- и C-конец полипептидной цепи.

Длина цепи – от 70 до более чем 1000 мономеров (аминокислотных остатков), средняя длина для высших организмов – примерно 500-600 аминокислотных остатков, для бактерий эта величина будет меньше, скорее 300-400 остатков. Всего в природе существует 20 стандартных аминокислот, одинаковых и для бактерии и для человека, то есть из основной цепи могут торчать 20 разных боковых групп.

(Тут возможна поправка – некоторые химические группы могут быть модифицированны после синтеза белка, например, фосфорилированы. Однако это не рассматривается как другая аминокислота, а рассматривается как продукт модификации исходной. Так же у высших организмов возможно встраивание двух неканонических аминокислот, но это редкое событие. То есть, строго говоря, разных аминокислот 22, из них 20 основных и 2 редкие, плюс некоторые боковые группы могут быть изредка химически модифицированы).

Из поколения в поколение генетическая информация передается в виде ДНК, в ней есть так называемые «белок-кодирующие области». В этих местах ДНК однозначным образом (для ботанов – с точностью до альтернативного сплайсинга и редактирования РНК) закодирована информация о линейной последовательности аминокислот для синтеза данного белка, плюс в клетке есть соответствующие машины, способные синтезировать белок по информации, изначально закодированной в ДНК.

Так как белок – линейный полимер, собранный из 20 стандартных мономеров, его так называемую «первичную структуру» легко представить в виде строки, например так:

 
>small ubiquitin-related modifier 3 precursor [Homo sapiens]
MSEEKPKEGVKTENDHINLKVAGQDGSVVQFKIKRHTPLSKLMKAYCERQG
LSMRQIRFRFDGQPINETDTPAQLEMEDEDTIDVFQQQTGGVPESSLAGHSF

Это аминокислотная последовательность маленького человеческого белка в формате FASTA, первая строчка, начинающаяся с «>», описывает его название, после чего следует последовательность аминокислот в соответствии со стандартной кодировкой (например, М –метиони, S – серин и тд, всего 20 букв стандартного однобуквенного кода), слева – N-конец белка, справа – его С-конец. Для разных белков длина строки будет очевидно разной, так как белки имеют разную длину. Последовательности всех известных белков можно найти в открытом доступе здесь: www.ncbi.nlm.nih.gov

3. Структура белка

Хорошо, с первичной структурой разобрались, но разве белок работает в развернутом линейном виде? Конечно нет. Тут надо заметить, что со структурной точки зрения есть разные классы белков: глобулярные, мембранные и фибриллярные. Мембранные белки, как следует из названия, живут только в клеточных мембранах, для стабилизации их структуры нужно особое окружение мембраны, мы не будем их рассматривать в этом обзоре. Фибриллярные белки имеют простое регулярное строение, похожи на вытянутые волокна, они не растворимы в воде и выполняют структурные функции (например, из кератина состоят волосы, к фибриллярным белкам относится белок из натурального шёлка). Недавно стали выделять класс разупорядоченных белков – белков, не обладающих постоянной трехмерной структурой, либо приобретающих ее только на короткое время при взаимодействии с другими белками. Наиболее интересный с практической точки зрения класс белков, который мы и будем рассматривать – глобулярные водорастворимые белки, к этому классу относится большинство белков.

Линейная полипептидная цепь в воде способна самопроизвольно сворачиваться в сложную трехмерную структуру (глобулу) и только в таком свернутом виде белки могут выполнять химический катализ и прочую интересную работу. Поэтому нам принципиально важно знать именно трехмерную укладку белка, так как только на этом уровне становится понятно, как белок работает.

Вопрос: сколько трехмерных структур соответствует конкретному белку?
Ответ: Одна, с точностью до небольшой подвижности маленьких «разупорядоченных» петель. Известно ровно одно исключение, когда одной последовательности соответствуют 2 достаточно разные структуры, это прионы.

Вопрос: Почему у белка только одна трехмерная структура?
Ответ: для химического катализа нам нужно расположить соответствующие химические группы строго определенным образом в пространстве. Для этого нужна жесткая структура. То есть весь белок должен быть жестким, чтобы поддерживать химические группы аминокислот активного центра в нужных местах (в реальности многие белки состоят из двух и более жестких частей, которые могут двигаться друг относительно друга, это нужно для регуляции активности белка (аллостерическая регуляция), чтобы некий сигнал мог включать и выключать химическую активность белка-фермента). Чтобы структура была жесткой и стабильной, природа позаботилась о том, чтобы структура каждого белка соответствовала энергетическому минимуму данной системы атомов и этот минимум был настолько глубоким, чтобы белок из него не «выпрыгнул». Все другие, паразитные структуры, обладают большей энергией и белок все равно сваливается в энергетический минимум, соответствующий нативной структуре.

Вопрос: на чем держится трехмерная структура белка?
Ответ: если коротко, то в основном на большом количестве нековалентных взаимодействий. В принципе, химические группы белка могут образовывать: (1) водородную связь, эти группы есть и в основной цепи и у некоторых боковых групп, (2) ионную связь – электростатическое взаимодействие между разноименно заряженными боковыми группами, (3) Ван-дер-Ваальсово взаимодействие и (4) гидрофобный эффект, на котором держится общая структура белка. Суть в том, что в белке всегда есть гидрофобные ароматические остатки, им энергетически невыгодно контактировать с полярными молекулами воды, а выгодно «слипнуться» друг с другом. Таким образом, при сворачивании белка гидрофобные группы выталкиваются из водного окружения, «слипаясь» друг с другом и формируя «гидрофобное ядро», а полярные и заряженные группы, наоборот, стремятся в водное окружение, формируя поверхность белковой глобулы. Так же (5) боковые группы двух остатков цистеина могут образовать между собой дисульфидный мостик – полноценную ковалентную связь, жестко фиксирующую белок.

Соответственно, все аминокислоты делятся на гидрофобные, полярные (гидрофильные), положительно и отрицательно заряженные. Плюс цистеины, способные образовывать ковалентную связь между собой. Особыми свойствами обладают глицин – у него отсутствует боковая группа, сильно ограничивающая конформационную подвижность других остатков, поэтому он может очень сильно «гнуться» и находится в местах, где белковую цепь надо развернуть. У пролина же, наоборот, боковая группа образует кольцо, ковалентно связанное с основной цепью, жестко фиксируя ее конформацию. Пролины встречаются там, где надо сделать белковую цепь жесткой и негнущейся. Многие заболевания связаны с мутацией пролина на глицин, из-за чего структура белка слегка «плывет».

Вопрос: откуда вообще мы знаем о трехмерных структурах белка?
Ответ: из эксперимента, это абсолютно надежные данные.

Сейчас есть 3 метода для экспериментального определения структуры белка: ядерно-магнитный резонанс (ЯМР), cryo-EM (электронная микроскопия) и рентгеноструктурный анализ кристаллов белка.

ЯМР позволяет определить структуру белка в растворе, но он работает только для очень маленьких белков (для больших невозможно сделать деконволюцию).

Этот метод был важен для общего доказательства того, что у белка только одна трехмерная структура и что структура белка в кристалле идентична структуре в растворе. Это очень дорогой метод, так как требуется получить белок с изотопными метками.

Cryo-EM заключается в простой заморозке раствора белка и микроскопии. Минус метода – низкое разрешение (видна лишь общая форма молекулы, но не видно, как она устроена внутри), плюс плотность белка близка к плотности воды/растворителя, поэтому сигнал тонет в высоком уровне шума. В этом методе активно применяются компьютерные технологии работы с картинками и статистика для вытягивания сигнала из шума.

Отбираются миллионы картинок молекул белка, проводится разделение на классы в зависимости от ориентации молекулы относительно подложки, усреднение по классам, генерация eigenimages, новый раунд усреднения и так пока не сойдется. Потом из информации из разных классов можно восстановить трехмерный вид молекулы с низким разрешением. Если же есть внутренняя симметрия частиц (например, при cryo-EM анализе вирусов), то можно еще каждую частицу поусреднять в соответствии с операторами симметрии – тогда разрешение будет еще лучше, но хуже, чем в случае рентгеноструктурного анализа.

Рентгеноструктурный анализ – основной способ определения структур белка. Главный плюс – потенциально можно получить кристаллы даже очень больших комплексов из многих десятков белков (например, именно так была определена структура рибосомы – Нобелевская премия 2009 года). Минус метода – вначале нужно получить кристалл белка, но далеко не каждый белок хочет кристаллизоваться.

Зато после того, как кристалл получен, по дифракции рентгеновского излучения можно однозначно определить положения всех (упорядоченных) атомов в молекуле белка, этот метод дает самое высокое разрешение и позволяет в лучших случаях видеть позиции отдельных атомов. Было доказано, что структура белка в кристалле однозначно соответствует структуре в растворе.

Сейчас действует конвенция – если ты определил структуру белка любым из экспериментальных физических методов, структура должна быть помещена в открытый доступ в банк данных белковых структур (Protein Data Bank – PDB, www.pdb.org ), в настоящее время там находится более 90 000 структур (впрочем, многие из них повторяющиеся, например, комплексы одного и того же белка с разными малыми молекулами, такими, как лекарственные средства). В PDB все структуры лежат в стандартном формате, называющемся, внезапно, pdb. Это текстовый формат, в котором каждому атому структуры соответствует одна строчка, в которой указан номер атома в структуре, название атома (углерод, азот и тд), название аминокислоты, в которую входит атом, название цепи белка (A, B, C и тд, если это кристалл комплекса из нескольких белков), номер аминокислоты в цепи и трехмерные координаты атома в ангстремах относительно ориджина, плюс так называемые температурный фактор и заселённость (это сугубо кристаллографические параметры).

ATOM      1  N   HIS A  17     -12.690   8.753   5.446  1.00 29.32           N  
ATOM      2  CA  HIS A  17     -11.570   8.953   6.350  1.00 21.61           C  
ATOM      3  C   HIS A  17     -10.274   8.970   5.544  1.00 22.01           C  
ATOM      4  O   HIS A  17     -10.193   8.315   4.491  1.00 29.95           O  
ATOM      5  CB  HIS A  17     -11.462   7.820   7.380  1.00 23.64           C  
ATOM      6  CG  HIS A  17     -12.551   7.811   8.421  1.00 21.18           C  
ATOM      7  ND1 HIS A  17     -13.731   7.137   8.194  1.00 28.94           N  
ATOM      8  CD2 HIS A  17     -12.634   8.384   9.644  1.00 21.69           C  
ATOM      9  CE1 HIS A  17     -14.492   7.301   9.267  1.00 27.01           C  
ATOM     10  NE2 HIS A  17     -13.869   8.058  10.168  1.00 22.66           N  
ATOM     11  N   ILE A  18      -9.269   9.660   6.089  1.00 19.45           N  
ATOM     12  CA  ILE A  18      -7.910   9.377   5.605  1.00 18.67           C  
ATOM     13  C   ILE A  18      -7.122   8.759   6.749  1.00 16.24           C  
ATOM     14  O   ILE A  18      -7.425   8.919   7.929  1.00 18.80           O  
ATOM     15  CB  ILE A  18      -7.228  10.640   5.088  1.00 20.22           C  
ATOM     16  CG1 ILE A  18      -7.062  11.686   6.183  1.00 18.52           C  
ATOM     17  CG2 ILE A  18      -7.981  11.176   3.889  1.00 24.61           C  
ATOM     18  CD1 ILE A  18      -6.161  12.824   5.749  1.00 28.21           C  
ATOM     19  N   ASN A  19      -6.121   8.023   6.349  1.00 15.46           N  
ATOM     20  CA  ASN A  19      -5.239   7.306   7.243  1.00 14.34           C  
ATOM     21  C   ASN A  19      -4.012   8.178   7.507  1.00 14.83           C  
ATOM     22  O   ASN A  19      -3.431   8.715   6.575  1.00 18.03           O  
ATOM     23  CB  ASN A  19      -4.825   6.003   6.573  1.00 17.71           C  
ATOM     24  CG  ASN A  19      -6.062   5.099   6.413  1.00 21.26           C  
ATOM     25  OD1 ASN A  19      -6.606   4.651   7.400  1.00 26.18           O  
ATOM     26  ND2 ASN A  19      -6.320   4.899   5.151  1.00 31.73           N  

Далее есть специальные программы, которые по данным из этого текстового файла могут графически отображать красивую трехмерную структуру молекулы белка, которую можно покрутить на экране монитора и, как говорил Гай Додсон, «дотронуться мышкой до молекулы» (например, PyMol, CCP4mg, старый RasMol). То есть смотреть на структуры белка просто – ставишь программу, загружаешь нужную структуру из PDB и наслаждаешься красотой природы.

4. Анализируем структуру

Итак, мы поняли основную идею: белок — линейный полимер, сворачивающийся в водном растворе под действием множества слабых взаимодействий в стабильную и единственную для данного белка трехмерную структуру, и способный в таком виде выполнять свою функцию. Различают несколько уровней организации белковых структур. Выше мы уже познакомились с первичной структурой – линейной последовательностью аминокислот, которую можно выписать в строчку.

Вторичная структура белка определяется взаимодействием атомов основной цепи белка. Как уже было сказано выше, в состав основной цепи белка входят доноры и акцепторы водородной связи, таким образом, основная цепь может приобретать некоторую структуру. Точнее, несколько разных структур (детали все-таки зависят от различающихся боковых групп), так как возможно образование разных альтернативных водородных связей между группами основной цепи. Структуры бывают такие: альфа-спираль, бета-листы (состоящие из нескольких бета-тяжей), которые бывают параллельными и анти-параллельными, бета-поворот. Плюс часть цепи может и не иметь выраженной структуры, например в районе поворота петли белка. Эти типы структур имеют свои устоявшиеся схематичные обозначения – альфа-спираль в виде спирали или цилиндра, бета-тяжи в виде широких стрелок. Вторичную структуру удается достаточно достоверно предсказывать по первичной (стандартом является JPred), альфа-спирали предсказываются наиболее точно, с бета-тяжами бывают накладки.

Третичная структура белка определяется взаимодействием боковых групп аминокислотных остатков, это и есть трехмерная структура белка. Можно представить себе, что вторичная структура сформирована и теперь эти спирали и бета-тяжи хотят уложиться все вместе в компактную трехмерную структуру, чтобы все гидрофобные боковые группы спокойно «слиплись» вместе в глубине белковой глобулы, сформировав гидрофобное ядро, а полярные и заряженные остатки торчали наружу в воду, формируя поверхность белка и стабилизируя контакты между элементами вторичной структуры. Третичную структуру изображают схематически несколькими способами. Если просто отрисовать все атомы, то получится каша (хотя когда мы анализируем активный центр белка, то мы хотим смотреть как раз на все атомы активных остатков).

Если мы хотим посмотреть, как устроен весь белок в общем, можно отобразить только некоторые атомы основной цепи, чтобы увидеть ее ход. Как вариант, можно нарисовать красивую схему, где поверх реального расположения атомов схематично нарисованы элементы вторичной структуры – так с первого взгляда видна укладка белка. После изучения всей структуры в общем, схематичном виде, можно отобразить химические группы активного центра и уже сосредоточиться на них. Задача предсказания третичной структуры белка – нетривиальная и в общем случае не решается, хотя может быть решена в частных случаях. Подробнее – ниже.

Четвертичная структура белка – да, есть и такая, правда не у всех белков. Многие белки работают сами по себе (мономеры, в данном случае под мономером имеется в виду одиночная свернутая полипептидная цепь, то есть белок целиком), тогда их четвертичная структура равна третичной. Однако достаточно много белков работает только в комплексе, состоящем из нескольких полипептидных цепей (субъединиц или мономеров — димеры, тримеры, тетрамеры, мультимеры), тогда вот такая сборка из нескольких отдельных цепей и называется четвертичной структурой. Самый банальный пример – состоящий из 4 субъединиц гемоглобин, самый красивый на мой взгляд пример – состоящий из 11 одинаковых субъединиц бактериальный белок TRAP.

5. Вычислительные задачи

Белок – сложная система из тысяч атомов, поэтому без использования компьютеров в структуре белка не разобраться. Задач, как решенных на приемлемом уровне, так и совсем не решенных, множество. Перечислю наиболее актуальные:

На уровне первичной структуры – поиск белков с похожей аминокислотной последовательностью, построение по ним эволюционных деревьев и тд – классические задачи биоинформатики. Главным хабом является NCBI — The National Center for Biotechnology Information, www.ncbi.nlm.nih.gov. Для поиска белков со сходной последовательностью стандартно используется BLAST: blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi

Предсказание растворимости белка. Речь идет о том, что если мы прочитаем геном какого-нибудь животного, определим по нему последовательности белков, переклонируем эти гены в кишечную палочку или baculovirus expression system, то окажется, что при экспрессии в этих системах примерно треть белков не будет сворачиваться в правильную структуру, и, как следствие, будет нерастворима. Тут выясняется, что большие белки на самом деле состоят из отдельных «доменов», каждый из которых представляет автономную, функциональную часть белка (несущую одну из его функций) и часто «вырезав» из гена отдельный домен, можно получить растворимый белок, определить его структуру и провести с ним опыты. Люди пытаются использовать машинное обучение (нейронные сети, SVM и прочие классификаторы), чтобы предсказывать растворимость белка, однако работает оно достаточно плохо (Гугл много чего покажет по запросу “protein solubility prediction” – есть много серверов, но по моему опыту все они работают отвратительно на моих белках). В идеале я хотел бы видеть сервис, который надежно сказал бы, где в белке находятся те самые растворимые домены, чтобы их можно было вырезать и работать с ними – такого сервиса нет.

На уровне вторичной структуры – предсказание той самой вторичной структуры по первичной (JPred)

На уровне третичной структуры – поиск белков со сходными трехмерными структурами (DALI, en.wikipedia.org/wiki/Structural_alignment ),

Поиск структур по заданной суб-структуре. Например, у меня есть расположение трех аминокислот активного центра в пространстве. Хочу найти структуры, которые содержать такие же три аминокислоты в таком же относительном расположении, либо найти структуры белков, мутирование которых даст возможность расположить нужные аминокислоты нужным образом. (гуглить «protein substructure search»)

Предсказание потенциальной подвижности трехмерной структуры, возможных конформационных изменений – normal mode analysis, ElNemo.

На уровне четвертичной структуры – предположим, известны структуры двух белков. Известно, что они образуют комплекс. Предсказать структуру комплекса (определить, как эти два белка будут взаимодействовать посредством shape matching, например). Гуглить «protein-protein docking»

6. Предсказание структуры белка

Выделил эту вычислительную задачу в отдельный раздел, ибо велика она, фундаментальна и не решается в общем случае.

Экспериментально мы знаем, что если взять белок, полностью развернуть его и бросить в воду, то он свернется обратно в исходное состояние за время от миллисекунд до секунд (это утверждение справедливо по крайней мере для небольших глобулярных белков без всяких патологий). Это значит, что вся информация, необходимая для определения трехмерной структуры белка, в неявном виде содержится в его первичной последовательности, поэтому так хочется научиться предсказывать трехмерную структуру белка по последовательности аминокислот in silico! Однако эта задача в общем случае не решена до сих пор. В чем же дело? Дело в том, что в первичной последовательности отсутствует в явном виде информация, необходимая для построения структуры. Во-первых, нет информации о конформации основной цепи – а она обладает значительной подвижностью, хотя и несколько ограниченной по стерическим причинам. Плюс каждая боковая цепь каждой аминокислоты может находиться в разных конформациях, для длинных боковых групп типа аргинина, это может быть больше десятка конформаций.

Что же делать? Есть достаточно известный хабравчанам самый общий подход, называемый «молекулярная динамика» и подходящий для любых молекул и систем. Берем развернутый белок, приписываем всем атомам случайные значения скоростей, считаем взаимодействия между атомами, повторяем до тех пор, пока система не придет в стабильное состояние, соответствующее свернутому белку. Почему это не работает? Потому что современные вычислительные мощности позволяют за месяцы работы кластера считать десятки наносекунд для системы из тысяч атомов, какой является белок, помещенный в воду. Время же сворачивания белка – миллисекунды и больше, то есть вычислительных мощностей не хватает, разрыв – в несколько порядков. Впрочем, пару лет назад американцы совершили некоторый прорыв. Они использовали специальное железо, оптимизированное для векторных вычислений и после оптимизации на аппаратном уровне у них за месяцы работы машины получилось посчитать молдинамику до миллисекунд для очень маленького белка и белок свернулся, структура соответствовала экспериментально определенной ( http://en.wikipedia.org/wiki/Anton_(computer) )! Однако праздновать победу еще рано. Они взяли очень маленький (его размер раз в 5-10 меньше среднего белка) и один из самых быстросворачивающихся белков, классический модельный белок, на котором изучалось сворачивание. Для больших белков время расчетов увеличивается нелинейно и потребуются уже годы, то есть еще есть над чем работать.

Другой подход реализован в Rosetta. Они разбивают последовательность белка на очень короткие (3-9 остатков) фрагменты и смотрят, какие конформации для этих фрагментов присутствуют в PDB, после чего запускают Монте-Карло по всем вариантам и смотрят, что получится. Иногда получается что-то годное, но в моих случаях через несколько дней работы кластера получаешь такой бублик, что возникает немой вопрос: «Кто писал их оценочную функцию, ставящую какую-то хорошую оценку вот этой загогулине?».

Есть инструменты и для моделирования вручную – можно предсказать вторичную структуру и попробовать вручную крутить ее, находя лучшую укладку. Некие гениальные люди даже выпустили игрушку FoldIt, представляющую белок схематично и позволяющую укладывать его, как-бы собирая головоломку (для интересующихся структурой – рекомендую!). Есть абсолютно официальное соревнование для предсказателей белковых структур, называемое CASP. Суть в том, что когда экспериментаторы определяют новую структуру белка, не имеющую аналогов в PDB, они могут не выкладывать ее сразу в PDB, а выставить последовательность этого белка на конкурс предсказаний CASP. Через некоторое время, когда все закончат свои предсказательные модели, экспериментаторы выкладывают свою экспериментально определенную структуру белка и смотрят, насколько хорошо сработали предсказатели. Самое интересное, что игроки FoldIt, не будучи учеными, как-то выиграли CASP у профессионалов моделирования белковых структур и предсказали структуру белка точнее. Однако даже эти успехи не позволяют утверждать, что проблема предсказания структуры белка решается – очень часто модель очень далека от реальной структуры.

Все это относилось к моделированию белков ab initio, когда нет никакой априорной информации о структуре. Однако очень часто бывают ситуации, когда для некоторого белка в PDB присутствует его отдаленный родственник с уже известной структурой. Под родственником подразумевается белок с похожей первичной последовательностью. Считается, что для белков со сходством по первичной последовательности больше 30% одинаковая укладка основной цепи (хотя одинаковая укладка наблюдалась и для белков, не проявляющих никакого статистически достоверного сходства по первичной последовательности). В случае наличия гомолога (похожего белка) с известной структурой, можно сделать «гомологичное моделирование», то есть попросту «натянуть» последовательность твоего белка на известную структуру гомолога, а потом погонять минимизацию энергии, чтобы как-то все это дело утрясти. Такое моделирование показывает хорошие результаты при наличие очень близких гомологов, чем дальше гомолог – тем больше ошибка. Инструменты для гомологичного моделирования – Modeller, SwissModel.

Можно решать и другие задачи, например, пытаться моделировать, что произойдет, если внести в белок ту или иную мутацию. Например, если заменить гидрофильную аминокислоту на поверхности белка на другую гидрофильную, то скорее всего структура белка не изменится вообще. Если заменить аминокислоту из гидрофобного ядра на другую гидрофобную, но другого размера, то скорее всего укладка белка останется той же, но слегка «съедет» на доли ангстрема. Если же заменить аминокислоту из гидрофобного ядра на заряженную, то скорее всего белок просто «взорвется» и не сможет свернуться.

Может показаться, что все не так уж и плохо и мы достаточно хорошо пониманием сворачивание белка. Да, мы понимаем кое-что, например до некоторой степени мы понимаем общие физические принципы, лежащие в основе сворачивания полипептидной цепи – они рассматриваются в замечательном учебнике Птицына и Финкельштейна «Физика белка». Однако это общее понимание не позволяет нам ответить на вопросы «Свернется ли данный белок или не свернется?», «Какая структура будет у этого белка?», «Как сделать белок с желаемой структурой?».

Вот одна из иллюстраций: мы хотим локализовать один из доменов большого белка, это стандартная задача. У нас есть фрагмент, который сворачивается и растворим, то есть это живой и здоровый белок. Мы же хотим найти его минимальную часть и начинаем методами генетической инженерии с обоих концов удалять по 2-3 аминокислоты, экспрессировать такой обрезанный белок в бактерии и смотреть его сворачиваемость экспериментально. Мы делаем десятки конструкций с такими маленькими делециями и видим такую картину – полностью растворимый и живой белок отличается от полностью мертвого и несворачивающегося на 3 аминокислоты. Повторюсь, это объективный экспериментальный результат. Проблема в том, что сейчас не существует вычислительного метода, который предсказал бы сворачиваемость белка хотя бы на уровне «да/нет» и сказал мне, где проходит граница между сворачивающимся и несворачивающимся белком, потому мы вынуждены клонировать и экспериментально проверять десятки вариантов. Это лишь одна из иллюстраций того, что наше понимание структуры белка весьма далеко от совершенства. Как говорил Ричард Фейнман, «Чего не могу воссоздать, того не понимаю».

Так что, господа программисты, физики и математики, нам еще есть над чем работать.

На этой оптимистичной ноте разрешите откланяться, благодарю всех, кто осилил сей опус.

Для глубоко знакомства с предметной областью рекомендую следующий минимум:

1) «Физика белка» Птицын и Финкельштейн. Большую часть материала Алексей Витальевич Финкельштейн выложил в онлайн, чем и рекомендую с благодарностью воспользоваться: phys.protres.ru/lectures/protein_physics/index.html (а я утащил оттуда несколько картинок)

2) Патрушев, «Искусственные генетические системы», особенно часть II «Белковая инженерия». Есть на торрентах в формате Djvu

3) Для информации, опубликованной в биологических научных журналах, есть официальный поисковик PubMed ( www.pubmed.org ) — у него стоит попросить почитать про «protein engineering» и тому подобное.

Белки как молекулы. Состав, структура и функции белков

Белки выполняют ведущую роль в жизни организмов, преобладая в них и количественно. В теле животных они составляют 40-50% сухой массы, в растениях – 20-35%. Это самая разнообразная группа молекул – как химически, так и функционально. Состав и структура белков определяет огромное разнообразие их функций в клетке: их так много, что невозможно перечислить и описать их все. Однако можно сгруппировать эти функции в следующие восемь категорий. Но этот список также будет неполным.

1. 1. Ферментативная (каталитическая). Ферменты имеют белковое происхождение. Это трёхмерные глобулярные (свёрнутые) белки, плотно прилегающие к молекуле для её расщепления или сборки. Такая подгонка ускоряет специфические химические реакции в клетке.
   2. Защитная. Другие глобулярные белки используют свою форму для распознавания чужеродных микроорганизмов и раковых клеток. Эти приёмные устройства формируются эндокринной и иммунной системами. Многие живые организмы выделяют белки, ядовитые для других. Токсины синтезируют ряд животных, грибов, растений, микроорганизмов. В свою очередь, некоторые организмы способны вырабатывать антитоксины, которые подавляют действие этих ядов.
   3. Транспортная. Глобулярные белки присоединяют и транспортируют мелкие молекулы и ионы. Например, транспортный белок гемоглобин переносит кислород и углекислоту с потоком крови. Мембранные транспортные белки помогают молекулам и ионам двигаться через плазмалемму. Альбумины крови транспортируют жирные кислоты, глобулины – ионы металлов и гормоны.
   4. Структурная. Белковые молекулы входят в состав всех клеточных мембран и органоидов. Из белков построены элементы цитоскелета, сократительные структуры мышечных волокон. Структурными являются кератин в волосах, фибрин в сгустках крови, коллаген в коже, связках, сухожилиях и костях. В состав связок, стенок артерий и лёгких входит также структурный белок эластин.
   5. Двигательная. Сократительные белки обеспечивают способность клеток, тканей, органов и целых организмов изменять форму, двигаться. Мышцы сокращаются за счёт движения двух видов белковых нитей: актина и миозина. Контрактильные (лат. contraho, contractum – стягивать, сокращать) протеины играют ключевую роль в цитоскелете и передвижении веществ внутри клетки. Белок тубулин также входит в состав микротрубочек веретена деления, ресничек и жгутиков эукариотических клеток.
   6. Регуляторная. Крошечные белки, называемые гормонами, служат межклеточными посланниками в теле животных. Другие белки регулируют синтез РНК на ДНК, включая и выключая гены. Кроме того белки получают информацию, действуя в качестве рецепторов клеточной поверхности (эту функцию иногда считают отдельной, называя рецепторной).
   7. Запасающая. Кальций и железо хранятся в организме в виде ионов, связанных с белками хранения. В семенах растений запасаются резервные белки, которые используются зародышем при прорастании, а затем и проростком как источник азота.

1. Энергетическая. После расщепления до аминокислот белки могут служить источником энергии в клетке. При полном окислении 1 г белка выделяется 17,6 кДж энергии. Однако белки расходуются на энергетические нужды лишь в крайних случаях, когда исчерпаны запасы углеводов и липидов.

Сравнительный размер молекул белков. Слева направо: антитело (IgG) (150 кДа), гемоглобин (66,8 кДа), гормон инсулин, фермент аденилаткиназа и фермент глютаминсинтетаза.
Автор: en:User:Gareth White, CC BY-SA 2.0

Функции белков
Функция	Класс белка	Образцы	Примеры использования
Каталитическая	Ферменты	Карбогидразы	Расщепляют полисахариды
		Протеазы	Разрушают белки
		Полимеразы	Синтезируют нуклеиновые кислоты
		Киназы	Фосфорилируют сахара и белки
Защитная	Иммуноглобулины	Антитела	Маркируют чужеродные белки для элиминации (удаления)
	Токсины	Змеиный яд	Блокирует нервные импульсы
	Клеточные белки-антигены	МНС-белки (главный комплекс гистосовместимости)	Опознание чужеродных белков
Транспортная	Циркуляционные транспортёры	Гемоглобин	Переносит кислород и углекислый газ крови
		Миоглобин	Переносит кислород и углекислый газ в скелетных мышцах и мышце сердца
		Цитохромы	Транспортируют электроны
	Мембранные транспортные белки	Натриево-калиевый насос	Возбуждение мембраны
		Протонный насос	Хемиосмос
		Транспортёр глюкозы	Транспортирует глюкозу в клетки
Структурная	Волокна	Коллаген	Образует хрящ
		Кератин	Формирует волосы, ногти, перья и др.
		Фибрин	Образует сгустки крови
Двигательная	Мускулы	Актин	Сокращение мышечных волокон
		Миозин	Сокращение мышечных волокон
Регуляционная	Осмотические белки	Сывороточный альбумин	Поддерживает осмотическую концентрацию крови
	Регуляторы генов	Репрессор	Регулирует транскрипцию
	Гормоны	Инсулин	Контролирует уровень глюкозы в крови
		Вазопрессин	Увеличивает задержку воды почками
		Окситоцин	Регулирует сокращение матки и выделение молока
Запасающая	Ион-связывание	Ферритин	Хранит железо, особенно в селезёнке
		Казеин	Хранит ионы в молоке
		Кальмодулин	Связывает ионы кальция

Белки – это полимеры

Белки, или протеины – это нерегулярные (не имеющие определённой закономерности в последовательности мономеров) полимеры, состоящие из мономеров, называемые аминокислотами. Протеины, в состав молекул которых входит от пятидесяти до нескольких тысяч остатков аминокислот, называются белками. Молекулы с меньшим количеством мономеров именуются пептидами.

Общие сведения о пептидах и белках

Белок состоит из одной или нескольких длинных неразветвлённых цепей. Каждая цепь называется полипептидом и состоит из аминокислот, скреплённых пептидными связями. Термины «белок» и «полипептид» часто используются свободно, что может вызывать путаницу. Для белка, который включает только одну полипептидную цепь, оба термина являются синонимами.

В природе существуют около 500 аминокислот. В образовании белков обычно (но не всегда) участвуют только 20 из них – их называют белокобразующими. Порядок соединения мономеров в белке определяет его структуру и функции. Многие учёные считают, что аминокислоты были первыми органическими молекулами, появившимися на Земле. Возможно, океаны, которые существовали в начале истории нашей планеты, содержали большое их разнообразие.

Белокобразующие аминокислоты

Автотрофные организмы синтезируют все необходимые им аминокислоты из продуктов фотосинтеза и азотсодержащих неорганических соединений. Для гетеротрофов источником аминокислот являются продукты питания. В организме человека и животных некоторые аминокислоты могут синтезироваться из продуктов обмена веществ (в первую очередь — из других аминокислот). Такие аминокислоты называются заменимыми.

Другие же, так называемые незаменимые аминокислоты, не могут быть собраны в организме и поэтому должны постоянно поступать в него в составе белков пищи. Протеины, содержащие остатки всех незаменимых аминокислот, называются полноценными. Неполноценные белки – это те, в составе которых отсутствуют остатки тех или иных незаменимых аминокислот.

Незаменимыми аминокислотами для человека являются: триптофан, лизин, валин, изолейцин, треонин, фенилаланин, метионин и лейцин. Для детей незаменимыми являются также аргинин и гистидин.

Полипептидные цепи могут быть очень длинными и включать самые разные комбинации аминокислотных остатков. Каждый конкретный белок характеризуется строго постоянным составом и последовательностью аминокислот.

Димер мембранного белка кальсеквестрина.
Deposition authors: Wang, S., Trumble, W.R., Liao, H., Wesson, C.R., Dunker, A.K., Kang, C., CC BY 3.0

Белки, образованные только остатками аминокислот, называются простыми. Сложными являются протеины, имеющие в своём составе компонент неаминокислотной природы. Это могут быть ионы металлов (Fe²⁺, Zn²⁺, Mg²⁺, Mn²⁺), липиды, нуклеотиды, сахара и др. Простыми белками являются альбумины крови, фибрин, некоторые ферменты (трипсин) и др. Сложные белки – это большинство ферментов, иммуноглобулины (антитела).

Состав аминокислот

Аминокислоты, как следует из их названия, содержат основную аминогруппу (— NH₂), а также кислотную карбоксильную группу (—COOH), обе они связаны с центральным атомом углерода. Углерод дополнительно скреплен с водородом и функциональной белковой группой, называемой радикалом (R). Эти компоненты полностью заполняют все связи центрального атома углерода.

Общая структура α-аминокислот, составляющих белки (кроме пролина).
Автор: User:X-romix

Уникальный характер каждой аминокислоты определяется природой группы радикала. Обратите внимание, что если группа радикала не содержит атома водорода (Н), как в глицине, то аминокислота хиральна и может существовать в форме двух энантиомеров: d или L. В белках живых систем содержатся обычно α (L)-аминокислоты, а β (d)-аминокислоты встречаются крайне редко.

Группа радикала определяет химические свойства аминокислот – они могут быть полярными или неполярными, гидрофобными или гидрофильными. Серин с радикалом -CH₂OH является полярной молекулой, Аланин, который имеет –CH₃ как группу радикала – неполярен.

Существуют также основные аминокислоты (более чем с одной аминогруппой) и кислые аминокислоты (более чем с одной карбоксильной группой). Наличие дополнительной амино- или карбоксильной группы оказывает влияние на свойства аминокислоты, которые играют определяющую роль в формировании пространственной структуры белка.

В состав радикала некоторых аминокислот (например, цистеина) входят атомы серы. Все 20 аминокислот сгруппированы в пять химических классов, основанных на группе их радикала.

1. Неполярные аминокислоты, такие как лейцин, часто имеют в качестве радикала —CH₂ или —CH₃.
2. Полярные незаряженные аминокислоты, такие как треонин, с радикалом, содержащим кислород или гидроксильную группу (-OH).
3. Заряженные аминокислоты, такие как глутаминовая кислота, с радикалом, имеющим кислоты или основания, способные к ионизации.
4. Ароматические аминокислоты, такие как фенилаланин, имеющий группу радикала, содержащую органическое (углеродное) кольцо с чередованием одиночных и двойных связей. Они также неполярны.
5. Аминокислоты, обладающие особыми функциями и свойствами. Например, метионин, который часто является первой аминокислотой в цепи белков, пролин, вызывающий перегибы в цепях, цистин, связывающий цепи вместе.

Каждая аминокислота влияет на форму белка по-разному, в зависимости от химической природы боковых групп. Например, части белковой цепи с многочисленными неполярными аминокислотами сворачиваются внутрь своей цепи путём гидрофобного исключения.

Белки и пептидные связи

В дополнении к группе радикала каждая аминокислота имеет положительно заряженную аминогруппу (NH₃ +) на одном конце и отрицательно заряженную гидроксильную группу (COO -) на другом. Амино- и карбоксильные группы у пары аминокислот могут подвергаться реакции дегидрации (выделение молекулы воды) с образованием ковалентной связи. Ковалентная связь, скрепляющая две аминокислоты, называется пептидной. Скреплённые таким способом аминокислоты не могут свободно вращаться вокруг N-C связи. Этот факт является основным фактором образования конструкции белковых молекул.

Пептидная связь

Наличие как основной, так и кислотной групп обусловливает амфотерность (проявление как кислотных, так и основных свойств) и высокую реакционную способность аминокислот.

При соединении двух аминокислот образуется дипептид. На одном конце молекулы дипептида находится свободная аминогруппа, на другом — свободная карбоксильная группа. Благодаря этому дипептид может присоединять к себе другие аминокислоты, образуя олигопептиды. Если таким образом соединяется более 10 остатков аминокислот, то образуется полипептид.

Новаторская работа Фредерика Сангера в начале 1950-х годов доказала, что каждый вид белка имеет определённую аминокислотную последовательность. Для отщепления аминокислот он использовал химические методы, после этого определял их. Сангер преуспел в расшифровке аминокислотной последовательности инсулина. Он продемонстрировал, что все молекулы инсулина имеют одинаковый состав аминокислот.

Уровни структурной организации белков

Форма белка определяет его функцию. Один из способов изучить что-то столь же маленькое как белок – посмотреть на него при помощи коротковолнового излучения, которое представлено рентгеновскими лучами. Рентгеновские лучи пропускают через белок для получения дифракции его узора. Эта картинка кропотливо анализируется и позволяет исследователю построить трёхмерное изображение молекулы с положением каждого её атома. Первым белком, проанализированным таким образом, был миоглобин; вскоре такому же анализу был подвергнут связанный с ним белок гемоглобин.

Когда было изучено достаточное количество протеинов, стал очевиден общий принцип их строения: в каждом исследованном белке все внутренние аминокислоты, такие как лейцин, валин и фенилаланин, неполярны. Тенденция воды к исключению неполярных молекул буквально толкает такие части цепи аминокислот внутрь протеина. Неполярные аминокислоты вынуждены тесно контактировать друг с другом, оставляя мало свободного места внутри молекулы. Полярные и заряженные аминокислоты концентрируются на поверхности белка, за исключением немногих, играющих ключевые функциональные роли.

Структура белков, как правило, описывается как иерархия четырёх уровней: первичного, вторичного, третичного и четвертичного. Мы рассмотрим эту точку зрения, а затем интегрируем её с более современным подходом, вытекающим из расширяющихся знаний о белковой структуре.

Уровни организации молекул белка

Первичная структура белков

Первичная структура белка – это его аминокислотная последовательность, т. е. это цепочка из множества аминокислотных остатков, соединённых пептидными связями. Это наиболее важная структура, так как именно она определяет форму, свойства и функции белка. На основе первичной структуры создаются другие формы молекулы.

Группы радикалов, которыми отличаются аминокислоты, не играют роли в пептидной цепи белков и протеин может включать любую последовательность аминокислот. Так как любая из 20 аминокислот может появиться в любом месте, белок, содержащий 100 мономеров, может образовать любую из 20 100 различных аминокислотных последовательностей. Это важное свойство белков позволяет им быть разнообразными, но каждый из них функционирует только при определённой аминокислотной последовательности.

Вторичная структура белка

Боковые и пептидные группы полипептидных цепей могут образовывать водородные связи. Вторичная структура белка возникает в результате связывания атомов водорода NH-групп и кислорода CO-групп. Полипептидная цепь при этом спирально закручивается. Водородные связи слабые, но благодаря их большому числу они обеспечивают стабильность этой структуры. Спиральную конфигурацию имеют, например, молекулы кератина, миозина и коллагена.

Водородные связи пептидов могут образовываться с водой. Если связей с водой будет слишком много, белки не смогут приобрести глобулярной структуры. Лайнус Полинг предположил, что пептидные группы могут взаимодействовать друг с другом, если пептид свёрнут в спираль, которую он назвал α-спиралью. Этот вид регулярного взаимодействия в пептиде формирует его вторичную структуру.

Вторичная структура инсулина

Другая форма вторичной структуры формируется между зонами пептида, расположенными в один ряд, в результате чего получается плоская молекула, собранная в складки, называемая β-листом. Части белка могут быть либо параллельными, либо антипараллельными – в зависимости от того, являются ли смежные участки пептида ориентированными в одном или в противоположном направлении.

Эти два вида вторичной структуры создают зоны белка – цилиндрические (α-спирали) и плоские (β-листы). Конечная структура белка может включать области каждого типа вторичной структуры. Например ДНК-связывающие белки обычно имеют области α-спирали, которые могут лежать поперёк ДНК и взаимодействовать непосредственно с основаниями ДНК. Белки порины, образующие отверстия в мембранах, состоят из β-листов. В гемоглобине α и β-структуры (глобины) имеют в молекуле свои зоны.

Вторичная структура белков

Третичная структура белков

Окончательная структура химически связанных белков называется третичной. Третичная структура формируется за счет образования водородных, ионных и других связей, возникающих в водной среде между разными группами атомов белковой молекулы вторичной структуры.

У некоторых белков важную роль в образовании третичной структуры играют S – S связи (дисульфидные) между остатками цистеина (аминокислоты, содержащей серу). При этом полипептидная спираль укладывается в своеобразный клубок (глобулу) таким образом, что гидрофобные аминокислотные радикалы погружаются внутрь глобулы, а гидрофильные располагаются на поверхности и взаимодействуют с молекулами воды. Третичной структурой определяются специфичность белковых молекул, их биологическая активность. Её имеют многие белки, например миоглобин (белок, который участвует в создании запаса кислорода в мышцах) и трипсин (фермент, расщепляющий белки пищи в кишечнике).

Третичная структура стабилизируется рядом сил, в том числе:

• водородными связами между радикалами различных аминокислот;
• электростатическим притяжением радикалов с противоположными зарядами;
• гидрофобным исключением неполярных радикалов;
• ковалентными дисульфидными связами.

На стадии третичной структуры по форме молекул белки можно разделить на две группы:

• глобулярные – имеют округлую форму. Такую форму имеют глобулины и альбумины крови, фибриноген, гемоглобин;
• фибриллярные – характеризуются вытянутой, нитевидной формой молекул. Это кератин, коллаген, миозин, эластин и др.

Четвертичная структура белка

Когда два или более полипептида связываются с образованием функционального белка, отдельные его цепи называются субъединицами. Расположение этих субъединиц и есть четвертичная структура. Субъединицы в таких белках чаще всего неполярны, поэтому они не связаны химически и отвечают за отдельные виды деятельности. Прочность четвертичной структуры обеспечивается взаимодействием слабых межмолекулярных сил.

Четвертичная структура характерна для белка гемоглобина. Вспомните, что гемоглобин состоит из двух α-цепей и двух β-цепей, а ещё в его состав входит небелковый компонент – гем.

Субъединицы располагаются в их окончательной четвертичной структуре. Это конечная структура некоторых, но не всех белков. У протеинов, которые состоят только из одной полипептидной цепи, например у фермента лизоцима, конечной структурой является третичная.

Мотивы и домены – структурные элементы белков

Ручное определение последовательности аминокислот в белке – трудоёмкая работа. Эту ситуацию изменило открытие способности хранения информации о белке молекулой ДНК. Первоначально геном человека был расшифрован вручную. Появление технологий следующего поколения привело к заметному ускорению секвенирования.

Сегодня расшифрованы более 40 000 бактериальных геномов и почти 8 000 геномов эукариот, в том числе 80 последовательностей генов млекопитающих. Так как состав ДНК имеет непосредственное отношение к последовательности аминокислот в белках, у биологов теперь есть огромная база данных строения протеинов.

Новая информация заставила задуматься о логике генетического кода и основных закономерностях структуры белка. Исследователи до сих пор рассматривают иерархическую систему из четырёх уровней как важную, но в лексикон биологов вошли и новые термины: мотив укладки и белковый домен.

Мотив укладки белковых молекул

Когда биологи обнаружили третичную структуру белка (ещё более трудоёмкая работа, чем определение последовательности аминокислот в цепи), они заметили сходные элементы, расположенные в непохожих белках. Подобные структуры называются мотивами, а иногда «сверхсекундными структурами». Термин «мотив» заимствован из искусства и относится к тематическому повторяющемуся элементу в музыке или дизайне.

Один общий мотив β-α-β образует так называемую «складку Россмана» у большого количества протеинов. Вторым часто встречающимся мотивом является β-баррель, который представляет собой β-лист, сложенный по кругу, чтобы сформировать трубку. Третий тип мотива – спираль-поворот-спираль, состоит из двух α-спиралей, разделённых изгибом. Его используют белки для связывания с молекулой ДНК.

Логику структуры мотивов укладки исследователи до сих пор не могут понять. Вероятно, если аминокислоты являются буквами в языке белков, то мотивы представляют собой повторяющиеся слова или фразы. Мотивы укладки помогли определить неизвестные функции белков, а база данных белковых мотивов используется для поиска новых неизвестных протеинов.

Мотивы укладки являются довольно консервативными и встречаются в белках, которые не имеют ни функциональных, ни эволюционных связей. Определение мотивов укладки лежит в основе физической, или рациональной классификации белков.

Белковые домены

Домены – это функциональные единицы в виде глобулы внутри более крупной структуры белков. Их можно рассматривать как субструктуры внутри третичной структуры белка. В языке белков это «абзацы». Большинство белков состоит из нескольких доменов, которые выполняют различные части функций протеинов.

Во многих структурах эти домены могут быть физически разделены. Например, так устроены факторы транскрипции – белки, которые связываются с ДНК и инициируют построение РНК по комплементарной ей ДНК. Было выяснено, что если ДНК-связывающие области поменять местами с факторами транскрипции, специфичность фактора может быть изменена без изменения его способности стимулировать транскрипцию. Эксперименты по замене доменов были проведены со многими факторами транскрипции, и они указывают, что активационные и ДНК-связывающие домены действуют отдельно.

Эти образования также могут помогать протеинам складываться. По мере того, как полипептидная цепь приобретает свою структуру, домены принимают правильную форму. Это действие может быть продемонстрировано экспериментально. Искусственное продуцирование фрагмента полипептида, который образует домен в интактном белке, показывает, что фрагмент складывается, чтобы сформировать такую же структуру, как у прототипа.

Процесс складывания, белки-шапероны

Первоначально биохимики думали, что новоиспечённые белки сворачиваются спонтанно, пробуя различные конфигурации, как гидрофобные взаимодействия с водой толкают неполярные аминокислоты внутрь белков до тех пор, пока не будет достигнута их окончательная структура. Оказалось, что эта точка зрения слишком проста. Цепи протеинов могут быть сложены многими способами, поэтому пробы и ошибки заняли бы слишком много времени. По мере того как первичная цепь складывается, приобретая финальную структуру, неполярные «липкие» внутренние участки во время промежуточных стадий обнажаются. Если эти промежуточные формы поместить в пробирку со средой, идентичной той, что внутри клетки, они прилипают к другим, и нежелательные белки-партнёры образуют клейкую массу.

Как клетки избегают того, чтобы их белки слипались в массу? Ответ на вопрос появился во время изучения необычных мутаций, которые спасают бактериальные клетки от размножения внутри них вирусов. При этом белки вирусов, произведённые внутри клетки, не могут сложиться как следует. Дальнейшее исследование помогло выяснить, что клетки содержат белки-шапероны, помогающие другим белкам складываться правильно.

Свёртывание белков

В настоящее время молекулярные биологи выявили массу белков, действующих как шапероны. Это большой класс полимеров, который можно разделить на подклассы. Представители шаперонов были найдены в каждом исследуемом организме. Некоторые из них, называемые тепловыми шоковыми белками, вырабатывается в ответ на повышение температуры тела. Высокие температуры служат фактором денатурации белков, шоковые белки-шопероны помогают белкам правильно сворачиваться и в такой ситуации.

Один из хорошо изученных классов этих белков, названных шаперонинами, был изучен у кишечной палочки (Escherichia coli). У мутантов при инактивации шаперонинов 30% бактериального белка не складывались должным образом. Шаперонины собираются в комплекс, напоминающий цилиндрический контейнер. Белки могут заходить в этот контейнер, и даже неправильно сложенные молекулы складываются там заново.

Исследователи склонны думать о белках как о фиксированных структурах, но это не относится к шаперонинам. Их гибкость поразительна. Видимо, это нужно им для выполнения своих функций. Клетки используют эти белки для складывания некоторых молекул протеинов и восстановления их неправильной структуры.

Денатурация инактивирует белки

Еще одной важной особенностью белков является то, что они проявляют свою активность лишь в узких температурных рамках и в определённом диапазоне кислотности среды.

Если условия, окружающие белок, изменяются, то он может частично потерять свою структуру или полностью развернуться. Этот процесс называется денатурацией. Белки могут быть денатурированы, когда рН, температура или ионная концентрация окружающего раствора изменена. Денатурация происходит вследствие разрыва водородных, ионных, дисульфидных и других связей, стабилизирующих пространственную структуру белковых молекул. При этом может утрачиваться их четвертичная, третичная и даже вторичная структуры.

Денатурированные белки как правило биологически неактивны. Это особенно значимо в отношении ферментов: так как почти каждая химическая реакция происходит при их помощи, жизненно важно, чтобы они функционировали нормально.

До появления морозильников и холодильников единственным способом предохранения продуктов от размножения в них микроорганизмов было хранение их внутри раствора, содержащего высокую концентрацию соли или уксуса, которые денатурировали ферменты микроорганизмов и предотвращали их рост.

Большинство ферментов функционирует в очень узком диапазоне условий окружающей среды. У каждого энзима этот диапазон специфичен. Ферменты крови, которые работают при рН около 7,4, быстро денатурируют в кислой среде желудка. И наоборот, протеолитические ферменты желудка, работающие при рН=2 или менее, разбираются в основной среде крови. Аналогично у организмов, живущих вблизи океанических гидротермальных источников, есть ферменты, которые хорошо работают только в экстремальных температурах (до 100°С). Эти организмы не могут выжить в более прохладных водах, потому что их энзимы не функционируют должным образом при относительно низких температурах.

Если нормальные показатели окружающего раствора восстанавливаются, небольшой белок, не потерявший первичной структуры, может восстановиться. Этот процесс называется ренатурацией, он происходит благодаря взаимодействию неполярных аминокислот и воды. Первоначально этот процесс был установлен для энзима рибонуклеазы, его ренатурация привела к выводу, что первичная структура определяет третичную структуру белка. Более сложные белки редко складываются вновь из-за их сложной окончательной структуры. Их денатурация носит необратимый характер.

Важно отличать денатурацию от диссоциации. Субъединицы белков с четвертичной структурой могут быть диссоциированы (разделены) без потери своей индивидуальной третичной структуры. Например, молекула гемоглобина может диссоциировать на 4 молекулы (2 α-глобина и 2 β-глобина) без денатурации свёрнутых глобиновых белков. Они легко восстанавливают свою четвертичную структуру из четырёх субъединиц.

 

 

Вам будет интересно

Современные представления о структурной организации белковых молекул. Первичная, вторичная, третичная, четвертичная структура белков. Виды связей и взаимодействий, стабилизирующих различные уровни структурной организации белков и надмолекулярных белковых

Работа добавлена: 2016-05-14

Современные представления о структурной организации белковых молекул. Первичная, вторичная, третичная, четвертичная структура белков. Виды связей и взаимодействий, стабилизирующих различные уровни структурной организации белков и надмолекулярных белковых комплексов.

Последовательность   расположения   аминокислотных остатков в полипептидной цепи белковой молекулы получила название первичной структуры белка. Многократно повторяющаяся пептидная связь (-СО-NH) является типичной ковалентной связью, которая определяет первичную структуру белка. Первичная структура белка, помимо большого числа пептидных связей, обычно содержит также небольшое число дисульфидных (-S-S-) связей. Пространственная конфигурация полипептидной цепи, точнее тип полипептидной спирали, определяет вторичную структуру белка, она представлена в основном α-спиралью, которая фиксирована водородными связями. Однако оказалось, что в растворах белка спирализованная полипептидная цепочка может принимать ту или иную конфигурацию. Эта конфигурация полипептидной спирали в пространстве определяет ее третичную структуру. Другими словами, третичная структура показывает, как полипептидная цепь, свернутая целиком или частично в спираль, расположена или упакована в пространстве (в глобуле).

Известная стабильность третичной структуры белка обеспечивается за счет водородных связей, межмолекулярных ван-дер-ваальсовых сил, электростатического взаимодействия заряженных групп и т д. Молекулы некоторых белков (например, гемоглобина) состоят из нескольких симметрично построенных частиц (одинаковых полипептидных цепей), обладающих одинаковой первичной, вторичной и третичной структурой. Совокупность таких одинаковых частиц (субъединиц), представляющая единое молекулярное образование в структурном и функциональном отношении, получила название четвертичной структуры белка.

Типы связей между аминокислотами в молекуле белка.

2 группы:

1. Ковалентные связи — обычные прочные химические связи.

а)пептидная связь (Формируется за  счет  COOH-группы  одной  аминокислоты и Nh3-группы соседней аминокислоты).

б)дисульфидная связь (Цистеин — аминокислота, которая в радикале имеет SH-группу, за счет которой и образуются дисульфидные связи. 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).

2. Нековалентные (слабые) типы связей — физико-химические взаимодействия  родственных структур. В десятки раз слабее обычной химической связи.

а) Водородная связь — это связь, возникающая между двумя электроотрицательными атомами за счет атома водорода, который соединен с одним из  электроотрицательных атомов ковалентно.

б) Ионная связь — возникает между положительно и отрицательно заряженными группировками (дополнительные карбоксильные и аминогруппы), которые встречаются в радикалах лизина, аргинина, гистидина, аспарагиновой и глутаминовой кислот.

в) Гидрофобное взаимодействие — неспецифическое притяжение, возникающее в молекуле белка между радикалами гидрофобных аминокислот — вызывается силами Ван-дер-Ваальса и дополняется выталкивающей силой воды.

Возможно эти работы будут Вам интересны.

1. Первичная, вторичная и третичная структура ДНК. Роль ядерных белков в компактизации ДНК. Биологическая роль ДНК

2. Современные представления о синтезе белка: синтез аминоацил-тРНК, представление о синтезе полипептидных цепей на рибосомах. Посттрансляционныый процессинг белковых молекул

3. Роль белков в питании. Пищевая ценность белков. Переваривание белков в пищеварительном тракте. Роль соляной кислоты и протеолитических ферментов в переваривании белков в желудке. Гниение белков в толстом кишечнике

4. Волокнистые структуры соединительной ткани. Коллаген как главный белок коллагеновых волокон., особенности аминокислотного состава и структурной организации молекулы тропоколлагена, структура коллагенового волокна. Многообразие типов коллагена

5. Физико-химические свойства белков: растворимость, ионизация и гидратация. Денатурация и высаливание белков, практическое значение. Обнаружение белков в растворах

6. Особенности аминокислотного состава эластина и структурной организации эластических волокон. Общее представление об обмене эластина. Специфические маркеры деградации эластина

7. Белки как особый класс биополимеров: их классификация, биологические функции белков. Аминокислотный состав белков

8. Формы организации системы менеджмента. Структура организации. Виды организационных структур. Факторы, определяющие выбор организационной структуры

9. Значение белков в питании. Баланс азота и азотистое равновесие, заменимые и незаменимые аминокислоты. Коэффициент изнашивания. Биологическая ценность белков

10. Переваривание и всасывание белков в желудочно-кишечном тракте. Протеолитические ферменты. Всасывание продуктов гидролиза белков. Гормональная регуляция желудочно-кишечной секреции

Белки типы вторичной структуры — Справочник химика 21

    ВТОРИЧНАЯ СТРУКТУРА БЕЛКОВ. Водородные связи играют основную роль в определении конформации полипептидной цепи. Спираль — наиболее высокоорганизованный тип конформации отдельной полипептидной цепи] ъ-аминокислот. Она определяется пространственным расположением следующих атомов а-аминокислот, составляющих цепь 1) атома углерода карбонильной группы, 2) а-углеродного атома и 3) атома азота а-аминогруппы. Наиболее устойчивой иа различных типов спирали является [c.408]









    Вторичная структура белка — это пространственная укладка полипептидной цепи. Выделяют три типа вторичной структуры а-спираль, слоисто-складчатая спираль (или р-спираль) и коллагеновая спираль. [c.238]

    Если бы а-спираль была единственным типом вторичной структуры белков, то все они были бы жесткими палочковидными образованиями. Поскольку это не так, следует заключить, что а-спирали составляют лишь отдельные участки полипептидных цепей. Отклонение от а-спиральной структуры вызвано разнообразными факторами к ним относится содержание пролина, оксипролина и (или) валина в пептидной цепи. После образования пептидной связи амидный водород отсутствует в пролине и оксипролине, и эти аминокислотные остатки не могут участвовать в образовании водородных связей в а-спирали. Изопропильная группа валина, по-видимому, ослабляет а-спираль из-за стерического отталкивания. [c.408]

    Вторичная структура белка определяется как конформация полипептидной цепи. Среди наиболее важных типов вторичной структуры назовем следующие. [c.526]

    Существуют белки, имеющие другие типы вторичной структуры. [c.649]

    Белки в природе представлены очень большим разнообразием структур в зависимости от организации молекулярных цепей на четырех уровнях. Линейная последовательность аминокислот, составляющая полипептидную цепь, образует первичную структуру. Аминокислотный состав, число и последовательность аминокислот, а также молекулярная масса цепи характеризуют эту первичную структуру и обусловливают не только другие степени организации, но физико-химические свойства белка. Образование водородных связей между кислородом карбонильной группы и водородом МН-группы в различных пептидных связях предопределяет вторичную структуру. Установление этих внутри- или межмолекулярных водородных связей приводит к возникновению трех типов вторичной структуры а-спираль, Р-структура в виде складчатого листка или тройная спираль типа коллагена. В зависимости от характера белков в основном образуются вторичные структуры одного или другого вида. Однако некоторые белки могут переходить из одной структуры в другую в зависимости от условий, в которых они оказываются, либо образовывать смесь частей в виде упорядоченных а- и Р-структур и неорганизованных частей, называемых статистическими клубками. Между боковыми цепями аминокислот, составляющими полипептидную цепь, устанавливаются взаимодействия ковалентного характера (дисульфидные связи) или нековалентные (водородные связи, электростатические или гидрофобные взаимодействия). Они придают белковым молекулам трехмерную организацию, называемую третичной структурой. Наконец, высшая степень организации может быть достигнута нековалентным связыванием нескольких полипептидных цепей, что приводит к образованию структуры, называемой четвертичной. Многие белки имеют пространственную конфигурацию сферического типа и называются глобулярными. В противоположность этому некоторые белки обладают продольно-ориентированной структурой и называются фибриллярными. Натуральные волокнистые [c.531]

    При увеличении влажности волоса до 5-7% происходит экстремальное увеличение его плотности, что обусловлено гидратацией пептидных и других полярных групп полимерного субстрата. При большем содержании воды в кератине развиваются пластификационные процессы, ослабляющие межмолекулярные контакты и повышающие сегментальную подвижность полипептидных цепей. Если бы кератин был представлен в полимерном субстрате только одним типом вторичной структуры — а-спиралью, — то все они были бы жесткими палочковидными образованиями. Но макромолекулы белка включают и участки статистических клубков, а также складчатые р-структуры (правда, доля последних невелика). [c.380]

    Но несмотря на те или иные недостатки каждого метода, все они находят широкое применение при изучении вторичной структуры белков и полипептидов. Относительная простота этих методов, возможность применения ряда из них для оценки степени спирализации белка в растворе и для оценки типа вторичной структуры делают их незаменимыми источниками информации о строении большинства белков. [c.112]

    Тем не менее признаки, по которым устанавливается наличие того или иного типа структуры, не оставляют в настоящее время возможностей для двузначного толкования экспериментальных данных и можно с уверенностью говорить о том или ином типе. вторичной структуры изучаемого фибриллярного белка. [c.544]

    Основные параметры большинства типов вторичных структур белков и нуклеиновых кислот были впервые установлены благодаря изучению волокон. Кроме того, та же самая теория может быть использована для анализа структур, образованных спирально расположенными белковыми субъединицами (такие структуры обнаружены в микротрубочках, актине, бактериофагах, вирусах), или целых слоев из субъединиц (подобные структуры найдены в мышцах, головках бактериофагов, в мембранах). [c.407]

    Для более глубокого понимания законов образования третичной структуры следует подчеркнуть, что полипептидная цепь не свертывается произвольно с образованием хаотичного (статистического) клубка. Анфинсен с сотр. [14] показал, что пространственная структура белков задана их первичной структурой. Иными словами, последовательность аминокислотных остатков в полимерной цепи кодирует строго определенный тип вторичной, третичной и высших структур белка. [c.12]

    В заключение необходимо остановиться еще на двух методах оценки вторичной структуры полипептидов и ряда белков электронной микроскопии и спектроскопии в инфракрасной области. Эти методы, соответственно, позволяют нам получить прямые доказательства существования а-спиралей и четко отметить тип вторичной структуры макромолекулы. Однако эти приемы исследования вторичной структуры существенно отличаются от вышеизложенных тем, что они не могут быть применены для изучения белков и полипептидов в растворе. [c.107]

    Другой тип вторичной структуры белков - [c.60]

    Что такое вторичная структура белков, за счет каких факторов она формируется и стабилизируется Какие типы вторичной структуры характерны для белков  [c.92]

    В соответствии с превалирующим типом вторичной структуры предложено [1J2] различать четыре класса белков (рис .1″0) I — полностью а-спиральные 17 — преимущественно содержащие р-структуру III — белки, в которых а- и р-структуры разделены вдоль полипептидной цеш (а+р), и IV — белки, в которых а- и р-структуры смешаны (а/р). [c.30]

    Иногда анализ последовательности аминокислот может привести к более определенным выводам о структуре белка. В настоящее время существуют методы, позволяющие с некоторой (хотя и не очень большой) степенью достоверности предсказывать расположение разных типов вторичной структуры вдоль цепи. Они подробно обсуждаются в гл. 5. [c.70]

    Рассмотрены три спектроскопических метода, с помощью которых можно получить разного рода информацию о структуре макромолекул. Оптически активные образцы обладают рядом свойств, среди которых наиболее удобным для исследования является круговой дихроизм (КД), т.е. способность по-разному поглощать лево- и правополяризованный свет. Существенное влияние на КД оказывает взаимодействие между соседними хромофорами, которое убывает с ростом расстояния между хромофорами приблизительно как и зависит от относительной ориентации хромофоров. Следовательно, КД особенно чувствителен к типу вторичной структуры белков и нуклеиновых кислот и протяженности структурных областей. Например, спектры КД а-спирали, /3-слоя и беспорядочной конформации четко различаются. Путем подгонки спектров белков к затабулирован-ным спектрам полипептидов с известной конформацией удается довольно надежно установить долю каждого из типов вторичной структуры в данном белке. [c.123]

    Два таких основных типа конфигураций белковых структур от-крыли и обосновали в сороковых годах двадцатого столетия Ляйнус Полинг и Роберт Кори. При этом было установлено, что более высокоорганизованным типом конформаций полипептидных цепей является правовращающая а-спираль. Именно а-сшфаль — основной и пшроко-раслространенный тип вторичной структуры белков. Спираль может быть правой или левой, но более устойчивой является правая а-спи-раль. [c.272]

    Другой тип вторичной структуры — -структура или складчатый листок. Б белках обнаружено два вида складчатых листков  [c.191]

    Для определения вторичной структуры белков используются в основном оптические методы. Конечно, более надежным является рентгеноструктурный метод, однако его применение сопряжено с определенными трудностями и требует значительного времени. Такие оптические методы, как дисперсия оптического вращения и круговой дихроизм, являются более простыми и, что весьма важно, позволяют определять изменений вторичной структуры белка в растворах. При помощи дисперсии оптического вращения можно получить информацию о степени спирализации белковой макромолекулы. Несмотря на то что метод является приближенным, достаточно отчетливо просматриваются переходы типа спираль—клубок. Что касается метода кругового дихроизма, то его спектр определяется набором углов ф и у, свойственных тому или иному типу вторичной структуры. Оба метода можно расценивать как скриннинго-вые, и для полной идентификации вторичной структуры их надо комбинировать с рентгеноструктурным анализом белков. [c.43]

    Пептидная связь является плоской (рис. 1-6), что налагает ряд ограничений на возможные типы вторичных структур белков. С другой стороны, все связи, включающие а-углеродные атомы, подвижны и могут образовывать множество разных структур. [c.17]

    В белках часто встречается тип вторичной структуры, называемой -структурой и характеризующейся тем, что в ней два участка полипептидной цепи (или в некоторых случаях две раз- [c.20]

    Первичная структура белка, т. е. последовательность аминокислотных остатков в полипептидных цепях, уже обсуждалась в разд. 14.3. Термин вторичная структура используют для обозначения тех простейших способов, при помощи которых полипептидные цепи скручиваются или складываются в молекулах белков. Наиболее важные вторичные структуры —а-спираль и два вида структуры, которую называют структурой типа складчатого слоя. (Третичная структура включает вторичные структуры и те фрагменты полипептидной цепи, которые соединяют один участок вторичной структурой с другим четвертичная струк- [c.428]

    В разд. 14.3 уже было отмечено, что причина, по которой все белки построены из ь-аминокислот, а не из смеси ь-и о-аминокислот, неизвестна. Тем не менее строение складчатого слоя и а-спирали, которые являются основными вторичными структурами белков, позволяет, по-видимому, понять это явление. Оба типа складчатого слоя имеют такую структуру, что одна из двух связей, соединяющих а-атом углерода с боковыми группами, направлена вовне почти под прямым углом к плоскости слоя и обеспечивает достаточное пространство для боковой цепи, между тем как другая связь лежит почти в плоскости слоя, где есть место лишь для атома водорода. В а-спирали, построенной целиком из ь — (или целиком из о -) аминокислотных остатков, боковые группы (при первых атомах углерода) расположены на расстоянии более 500 пм, тогда как в цепях, построенных из ь- и о-остатков, это расстояние составляет только 350 пм. Соответственно в первом случае структуры более устойчивы, так как для размещения больших боковых групп имеется больше места, чем в случае смешанных ь,о -цепей. Организмы, построенные исключительно из ь — (или о-) аминокислот (а также соответствующих углеводов и других веществ), к тому же несравненно проще, чем построенные на основе одновременно и ь- и в -форм. Дело в том, что ферменты, как правило, стереоспецифичны фермент, катализирующий реакцию с участием субстрата ь-ряда, не может катализировать ту же реакцию с участием субстрата о-ряда. Из этого следует, что существующим организмам достаточно только половины того числа ферментов, которое бы им потребовалось, если бы они были построены изь- и о-изомеров. Отбор же и-, а не в-аминокислот был, по-видимому, случайным. [c.435]

    Рентгеноструктурный анализ кристаллов позволил установить полную пространственную структуру ряда глобулярных белков. Было показано, что вторичная структура этих белков представлена главным образом а-спиралью и двумя типами складчатого слоя. При помощи рентгеноструктурного анализа можно установить и положение каталитически активного центра в молекуле фермента, соединенного с ингибитором. [c.443]

    В белках наиболее распространены три типа вторичных структур а-спирали, /З-слои и /3-изгибы. Все вместе они содержат более половины всех аминокислот белковой молекулы. В тех белках, в которых часто встречаются остатки пролина, а-спирали и 3-слои образуются редко вместо них могут формироваться спирали полипролинового типа. [c.146]

    Таким образом, авторы установили наличие двух типов вторичных структур для полиакриловой кислоты и ее солей, характер которых обусловлен конфигурацией длинноцепочечного иона 1) фибриллярные структуры, фибриллы которых иред-ставляют собой молекулярные цепочки, соедииеппые параллельной агрегацией в пачки, и 2) глобулярные структуры, образованные соединением молекулярных цепочек, свернутых в симметричные глобулы. Авторы высказали предположение, что рассмотренная картина агрегации и взаимного расположения цеией является более общей, так как глобулярные и фибриллярные структуры содержатся в биологических системах — природных полиэлектролитах и белках. [c.254]

    Молекулы ферментов, как и все белковые молекулы, построены из остатков а-аминокислот, соединенных пептидными связями. Линейную последовательность остатков в полипептидной цепи называют первичной структурой белка. Под вторичной структурой понимают характер спирализации или свертывания полипептидной цепи эта структура стабилизируется водородными связями между карбонильной и амидной группами пептидных связей. В результате дальнейшего скручивания молекулы, уже имеющей определенную вторичную структуру, возникает третичная структура, которая стабилизируется за счет различных взаимодействий между боковыми группами аминокислот. Наконец, под четвертичной структурой понимают крупные белковые агрегаты, состоящие из нескольких полипептидных цепей различного типа. Помимо полипептидной цепи, на которую приходится основная масса молекулы, белок может содержать также и другие ковалентно связанные с полипептидной цепью химические группировки, называемые простетиче-скими группами. [c.19]

    При анализе ряда глобулярных белков было установлено, что они имеют в растворе весьма компактные формы, размеры которых не сравнимы по величине с размерами, ожидаемыми для стержнеобразных а-спиралей сходного молекулярного веса. Гидродинамические данные и результаты светорассеяния указывают также, что пространственная конфигурация у белков этого класса более компактна, чем у беспорядочных клубков. Чтобы объяснить это кажущееся несоответствие, необходимо допустить, что молекулы глобулярных белков представляют собой сверхклубки , состоящие из коротких спиральных сегментов, разделяемых неспиральными зонами. Последние наделяют полипептидные цепи достаточной гибкостью, чтобы они могли свернуться в компактную глобулу, которая стабилизируется различного рода вторичными связями. Следовательно, в молекуле белка мы имеем как спиральные, так и аморфные участки. Что же касается синтетичесАх полипептидов, то здесь, как уже говорилось, конформация полипептидной цепи зависит от природы растворителя в одних вторичная структура этих соединений представлена спиральной формой, в других— беспорядочным клубком. Каким образом можно различить эти два типа вторичной структуры  [c.101]

    Системы водородных связей. Впервые о системах водородных связей как о реальности стало возможным говорить, когда Л. Полинг и сотр. на основе данных рентгеноструктурного анализа, предложили две модели вторичной структуры белков а-спирали и р-структуры [104,103]. В настоящее время системы пептидно-водородных связей, как их иногда называют, представленные в этих и некоторых других типах вторичных структур, считаются обычным элементом белков. Однако в связи с получением структурной информации с высоким разрешением (0,15—0,2 нм), появляется все больше сведений о системах водородных связей (или солевых мостиков ), состоящих из полярных аминокислот. Такие системы были обнаружены в целом ряде белков цитохром ах С551, Сг, с [84, 116, 128], термолизине [66], каталазе [99] и многих других. Необходимо также отметить, что подобные системы являются важным элементом структуры активных центров ферментов (т. н, системы передачи заряда [85]), а также наблюдаются при взаимодействии большого числа субъединиц, например, в вирусе табачной мозаики [33]. Детальный анализ некоторых из изученных систем, являющихся экспериментальным подтверждением формулируемой нами концепции систем сопряженных ионно-водородных связей, будет дан в следующей главе. [c.34]

    Спектры кругового дихроизма используют для тех же целей, что и спектры дисперсии оптического вращения, чтобы выяснить, какой тип вторичной структуры преобладает в мембранных белках. При интерпретации спектров кругового дихроизма возникают некоторые трудности, которые связаны в основном с негомоген-ностью мембранных суспензий, обусловливающей сглаживание спектральных кривых. Несмотря на то что доля спиральных участков в молекуле белка представляется на первый взгляд не самым информативным параметром, с помощью этих методов можно выяснить, осуществляется ли прямое влияние на мембранные структуры внешних факторов, если это влияние изменяет спи-рализацию белковых молекул. Эти изменения часто имеют место в тех случаях, когда наблюдается собственный конформационный сдвиг в молекуле белка или взаимодействие молекул белка друг с другом, изменяющее их конформацию. [c.73]

    РИС. 2.13. Распределение типов вторичной структуры в аденилаткиназе. Указаны области, которые, согласно предсказаниям различных теоретических методов, считаются /3-слоями, /3-изгибами или а-спиралями. На рисунке представлены также области вторичной структуры, определенные методом рентгеноструктурного анализа, и результаты, полученные при объединении всех теоретических подходов. Предсказания были сделаны до того, как стала известна структура белка. (G.E.Shultz et al.. Nature, 250, 140 (1974).] [c.72]

    На практике гораздо чаще по спектру КД пытаются определить х , Х(з и Хг> т.е. провести приближенный анализ вторичной структуры белка. Для этого проводят измерения при нескольких длинах волн (X,) и рещают систему уравнений вида (8.21). Минимально необходимое число длин волн равно трем, но лучше использовать гораздо больщий набор X, и применять метод наименьших квадратов или какую-либо иную статистическую процедуру для получения наиболее надежных значений долей каждого из типов вторичных структур Точность подобного расчета (даже в предположении, что все допущения верны) зависит от того, в какой степени базисные спектры [6ц], [в ] и [Хг1 являются линейно независимыми функциями. К счастью, как явствует из рис. 8.9, эти спектры достаточно сильно различаются. [c.79]

    Метод полуэмпирического расчета КД, с помощью которого удается обойти обе эти трудности, был предложен Д. Ветлауфером. Для построения базисных спектров здесь используются не полипептиды, а набор различных белков с известной пространственной структурой, что позволяет получить достаточно надежные значения х . Х(з и х . Зная экспериментальные спектры КД, можно, рещая систему уравнений вида (8.21), найти [ а( )]. [ е(> )] и [6г(Х)], т.е. аппроксимировать спектры каждого из типов вторичных структур в том виде, как они существуют в реальных белках. Эта процедура автоматически включает в себя усреднение как по длинам отдельных участков, так и по третичным взаимодействиям. На рис. 8.9 изображен типичный базисный набор спектров КД, полученный на основании измерений спектров белков. Адекватность этого экспериментально полученного набора можно проверить, если вычислить КД других белков, не использованных при расчете базисных спектров. В табл. 8.1 представлены типичные данные, полученные как методом Ветлауфера, так и с использованием базисного набора полипеп-тидных спектров. Видно, что оба метода дают достаточно хорощие результаты. [c.79]

    Многие полипептиды и белки исследовались с помощью рептгепос1руктурного анализа. При этом были подтверждены некоторые характерные особенности их структуры. Наиболее часто встречаются два типа организованной вторичной структуры, хотя нередко молекулы белков имеют более беспорядочное строение. В а-.форме полиамидная цепь свернута в спираль, в [c.301]

    Важное биологическое значение нуклеиновых кислот состоит в том, что они осуществляют хранение и передачу наследственной имформации, а также определяют синтез нужных белков в клетке я его регуляцию. По химическому строению нуклеиновые кислоты представляют собой линейные неразветвлет1ые) цепочки, составленные из остатков большого числа нуклеотидов указанных выше типов. Как и для белков, для нуклеиновых кислот характерна первичная и вторичная структура. Важнейшей характеристикой данной нуклеиновой кислоты является ее первичная структура, т. е. последовательность чередования входящих в ее состав четырех типов нуклеотидов. На стр. 442 и 443 для иллюстрации приведены фрагменты цепочек ДНК и РНК- [c.441]

    В большинстве регуляторных систем растений и животных катализ осуществляется глобулярными белками, которые носят название ферментов. Высокая химическая специфичность ферментов связана отчасти с уникальной макроструктурой этих полимеров. Сложность общей структуры белков можно оценить на примере фермента рибоиуклеазы (рис. 25-12). В то время как вторичная структура белков определяется только водородными связями, многочисленные изгибы полипептидной цепи, придающие глобулярным белкам третичную структуру, зависят не только от пептидных связей и водородных связей между амидными группами, но и от других типов связей, а именно а) дисульфидных связей в цистине б) ионных связей, в которых участвуют дополнительные аминогруппы или карбоксильные группы в) водородных связей и г) гидрофобных взаимодействий (рис. 25-13). [c.410]

---

§ 8. Пространственная организация белковой молекулы

§ 8. ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ БЕЛКОВОЙ МОЛЕКУЛЫ

Первичная структура

Под первичной структурой белка понимают количество и порядок чередования аминокислотных остатков, соединенных  друг с другом пептидными связями, в полипептидной цепи.

Полипептидная цепь на одном конце содержит свободную, не участвующую в образовании пептидной связи, NH₂-группу, этот участок обозначается как N–конец. На противоположной стороне  располагается свободная, не участвующая в образовании пептидной связи, НООС-группа, это – С-конец. За начало цепи принимается N-конец, именно с него начинается нумерация аминокислотных остатков: 

Аминокислотную последовательность инсулина установил Ф. Сэнгер (Кембриджский университет). Этот белок состоит из двух полипептидных цепей. Одна цепь состоит из 21 аминокислотного остатка, другая цепь – из 30. Цепи связаны двумя дисульфидными мостиками (рис.6).

 

Рис. 6. Первичная структура инсулина человека

На расшифровку этой структуры было затрачено 10 лет (1944 – 1954 гг.). В настоящее время первичная структура определена у многих белков, процесс ее определения автоматизирован и не представляет собой серьезную проблему для исследователей.

Информация о первичной структуре каждого белка закодирована в гене (участке молекулы ДНК)   и реализуется в ходе транскрипции (переписывании информации на мРНК) и трансляции (синтеза полипептидной цепи). В связи с этим можно установить первичную структуру белка также по известной структуре соответствующего гена.

По первичной структуре гомологичных белков можно судить о таксономическом родстве видов. К гомологичным белкам относятся те белки, которые у разных видов выполняют одинаковые функции. Такие белки имеют сходные аминокислотные последовательности. Например, белок цитохром С у большинства видов имеет относительную молекулярную массу около 12500 и содержит около 100 аминокислотных остатков. Различия в первичной структуре цитохрома С двух видов пропорциональны филогенетическому различию между данными видами. Так цитохромы С лошади и дрожжей отличаются по 48 аминокислотным остаткам, курицы и утки – по двум, цитохромы же курицы и индейки идентичны.           

 

Вторичная структура

Вторичная структура белка формируется вследствие образования водородных связей между пептидными группами. Различают два типа вторичной структуры: α-спираль и β-структура (или складчатый слой). В белках могут присутствовать также участки полипептидной цепи, не образующие вторичную структуру.

α-Спираль по форме напоминает пружину. При формировании α-спирали атом кислорода каждой пептидной группы образует водородную связь с атомом водорода четвертой по ходу цепи NH-группы:

Каждый виток спирали связан со следующим витком спирали несколькими водородными связями, что придает структуре значительную прочность. α-Спираль обладает следующими характеристиками: диаметр спирали 0,5 нм, шаг спирали –  0,54 нм, на один виток спирали приходится 3,6 аминокислотных остатка (рис. 7). 

Рис. 7. Модель a-спирали, отражающая ее количественные характеристики

Боковые радикалы аминокислот направлены наружу от -спирали (рис. 8). 

Рис. 8. Модель -спирали, отражающая пространственное расположение боковых радикалов

Из природных L-аминокислот может быть построена как правая, так и левая -спираль. Для большинства природных белков характерна правая спираль. Из D-аминокислот также можно построить как левую, так и правую спираль. Полипептидная же цепь, состоящая из смеси D-и L-аминокислотных остатков, не способна образовывать спираль.

Некоторые аминокислотные остатки препятствуют образованию α-спирали. Например, если в цепи подряд расположено несколько положительно или отрицательно заряженных аминокислотных остатков, такой участок не примет α-спиральной структуры из-за взаимного отталкивания одноименно заряженных радикалов. Затрудняют образование -спирали радикалы аминокислотных остатков, имеющих большие размеры. Препятствием для образования α-спирали, является также наличие в полипептидной цепи остатков пролина (рис. 9). В остатке пролина при атоме азота, образующем пептидную связь с другой аминокислотой, нет атома водорода. 

Рис. 9. Остаток пролина препятствует образованию -спирали

Поэтому остаток пролина, входящий в состав полипептидной цепи, не способен образовывать внутрицепочечную водородную связь. Кроме того, атом азота в пролине входит в состав жесткого кольца, что делает невозможным вращение вокруг связи N – C  и образование спирали.

Кроме α-спирали описаны и другие типы спиралей. Однако они встречаются редко, в основном на коротких участках.

Образование водородных связей между пептидными группами соседних полипептидных фрагментов цепей приводит к формированию β-структуры, или складчатого слоя:

В отличие от α-спирали складчатый слой имеет зигзагообразную форму, похожую на гармошку (рис. 10).

Рис. 10. β-Структура белка

Различают параллельные и антипараллельные складчатые слои. Параллельные β-структуры образуются между участками полипептидной цепи, направления которых совпадают:

Антипаралельные β-структуры образуются между противоположно направленными участками полипептидной цепи: 

β-Структуры могут формироваться более чем между двумя полипептидными цепями:

В составе одних белков вторичная структура может быть представлена только α-спиралью, в других – только β-структурами (параллельными, или антипараллельными, или и теми, и другими), в третьих наряду с α-спирализованными участками могут присутствовать и β-структуры.

 

Третичная структура

У многих белков вторичноорганизованные структуры (α-спирали, -структуры) свернуты определенным образом в компактную глобулу. Пространственная организация глобулярных белков носит название третичной структуры. Таким образом, третичная структура характеризует трехмерное расположение участков полипептидной цепи в пространстве. В формировании третичной структуры принимают участие ионные и водородные связи, гидрофобные взаимодействия, ван-дер-ваальсовы силы.  Стабилизируют третичную структуру дисульфидные мостики.

Третичная структура белков определяется их аминокислотной последовательностью. При ее формировании связи могут возникать между аминокислотами, расположенными в полипептидной цепи на значительном расстоянии. У растворимых белков полярные радикалы аминокислот, как правило, оказываются на поверхности белковых молекул и реже – внутри молекулы, гидрофобные радикалы оказываются компактно упакованными внутри глобулы, образуя гидрофобные области.

В настоящее время третичная структура многих белков установлена. Рассмотрим два примера.

 

Миоглобин

Миоглобин – кислород-связывающий белок с относительной массой 16700. Его функция – запасание кислорода в мышцах. В его молекуле имеется одна полипептидная цепь, состоящая из 153 аминокислотных остатков, и гемогруппа, играющая важную роль в связывании кислорода.

Пространственная организация миоглобина установлена благодаря работам Джона Кендрью и его коллег (рис. 11). В молекуле этого белка присутствуют 8 α-спиральных участков, на их долю приходится 80 % всех аминокислотных остатков. Молекула миоглобина очень компактна, внутри нее может уместиться всего четыре молекулы воды, почти все полярные радикалы аминокислот расположены на внешней поверхности молекулы, большая часть гидрофобных радикалов расположена внутри молекулы, вблизи поверхности находится гем – небелковая  группа, ответственная за связывание кислорода.

Рис.11. Третичная структура миоглобина

 

Рибонуклеаза

Рибонуклеаза – глобулярный белок. Она секретируется клетками поджелудочной железы, это – фермент, катализирующий расщепление РНК. В отличие от миоглобина, в молекуле рибонуклеазы имеется очень мало α-спиральных участков и достаточно большое число сегментов, находящихся в β-конформации. Прочность третичной структуре белка придают 4 дисульфидные связи.

 

Четвертичная структура

Многие белки состоят из нескольких, двух или более, белковых субъединиц, или молекул, обладающих определенной вторичной и третичной структурами, удерживаемых вместе при помощи водородных и ионных связей, гидрофобных  взаимодействий, ван-дер-ваальсовых сил. Такая организация белковых молекул носит название четвертичной структуры, а сами белки называют олигомерными.  Отдельная субъединица, или  белковая молекула, в составе олигомерного белка называется протомером.

Число протомеров в олигомерных белках может варьировать в широких пределах. Например, креатинкиназа состоит из 2 протомеров, гемоглобин – из 4 протомеров, РНК-полимераза E.coli – фермент, ответственный за синтез РНК, – из 5 протомеров, пируватдегидрогеназный комплекс – из 72 протомеров. Если белок состоит из двух протомеров, его называют димером, четырех – тетрамером, шести – гексамером (рис. 12). Чаще в молекуле олигомерного белка содержится 2 или 4 протомера. В состав олигомерного белка могут входить одинаковые или различные протомеры. Если в состав белка входят два идентичных протомера, то это – гомодимер, если разные – гетеродимер.

Рис. 12.  Олигомерные белки

Рассмотрим организацию молекулы гемоглобина. Основная функция гемоглобина заключается в транспорте кислорода из легких в ткани и углекислого газа в обратном направлении. Его молекула (рис. 13) состоит из четырех полипептидных цепей двух различных типов – двух α-цепей и двух β-цепей и гема. Гемоглобин является белком, родственным миоглобину. Вторичная и третичная структуры миоглобина и протомеров гемоглобина очень сходны. Каждый протомер гемоглобина содержит, как и миоглобин, 8 α-спирализованных участков полипептидной цепи. При этом надо отметить, что в первичных структурах миоглобина и протомера гемоглобина идентичны только 24 аминокислотных остатка. Следовательно, белки, значительно отличающиеся по первичной структуре, могут иметь сходную пространственную организацию и выполнять сходные функции.

Рис. 13. Структура гемоглобина

Уровни организации белков | Химия онлайн

Молекулы белков могут иметь различные пространственные конфигурации, и в их строении различают четыре уровня структурной организации.

Первичная структура белка — определенная последовательность a-аминокислотных остатков в полипептидной цепи.

Пептидная цепь имеет линейную структуру только у небольшого числа белков. В большинстве белков пептидная цепь определенным образом свернута в пространстве.

Один из первых белков, первичная структура которого была установлена в 1954 г. — гормон инсулин (регулирует содержание сахара в крови), его молекула состоит из двух полипептидных цепей, которые связаны друг с другом (в одной цепи 21 аминокислотный остаток, в другой – 30).

Вторичная структура белка — конформация полипептидной цепи, закрепленная множеством водородных связей между группами N-H и С=О.

В результате образования внутримолекулярных водородных связей между атомами водорода аминогрупп и атомами кислорода карбонильных групп полипептидные цепи многих белков скручиваются в спираль.

Существует два основных способа укладки цепи.

Одна из моделей вторичной структуры — a-спираль. Другая модель – β-форма («складчатый лист»), в которой преобладают межцепные (межмолекулярные) Н-связи.

В α-спирали на одном витке укладываются четыре аминокислотных остатка. Все радикалы аминокислот находятся снаружи спирали. Между группами NH и СО, находящимися на соседних витках, образуются водородные связи, которые стабилизируют спираль.

В β-структуре (складчатом слое) полипептидная цепь растянута, ее участки располагаются параллельно друг другу и удерживаются водородными связями.

Большинство белков содержит как α-спирали, так и β-структуры.

Вторичная структура была установлена американским химиком Л. Полингом в 1951 г.

Третичная структура белка — форма закрученной спирали в пространстве, образованная главным образом за счет дисульфидных мостиков -S-S- , водородных связей, гидрофобных и ионных взаимодействий.

Третичная структура – это трехмерная пространственная конфигурация закрученной α-спирали или β-структуры в пространстве.

У большинства белков полипептидные цепи свернуты особым образом в «клубок» — компактную «глобулу».

Белок в водном растворе свертывается таким образом, чтобы его гидрофобные (водоотталкивающие — от греч. гидро – вода, фобос – страх) боковые цепи были внутри молекулы, а гидрофильные (растворимые) – повернуты наружу.

Третичная структура образуется за счет дисульфидных мостиков -S-S- между цистеиновыми остатками, находящимися в разных местах полипептидной цепи.

В образовании третичной структуры участвуют также ионные взаимодействия противоположно заряженных групп (солевые мостики) NH₃⁺ и COO^— .

Интересно знать!

В составе волос содержится белок кератин. В его молекуле имеется большое количество дисульфидных связей. С помощью химической завивки волосам можно придать другую форму. Для этого волосы сначала накручивают на бигуди, затем обрабатывают раствором реагента-восстановителя, разрушающего дисульфидные связи, и прогревают. В результате этого кератин приобретает иную пространственную структуру. Далее волосы промывают и обрабатывают реагентом-окислителем, при этом происходит образование новых дисульфидных связей. Вследствие этого вновь приобретенная структура кератина стабилизируется. Волосы приобретают другую форму.

Четвертичная структура белка — агрегаты нескольких белковых макромолекул (белковые комплексы), образованные за счет взаимодействия разных полипептидных цепей.

Четвертичная структура – способ совместной укладки нескольких полипептидных цепей. Образующиеся структуры называются ассоциатами.

Термин «четвертичная структура» был предложен в 1958 г. Дж. Берналом.

Характерной особенностью белков с четвертичной структурой является их способность к самосборке, например, гемоглобин (белок крови)  легко собирается из смеси α- и β-цепей и гема.

Гемоглобин — сложный белок, макромолекула которого состоит из четырех полипептидных цепей (глобул), соединенных с четырьмя гемами – небелковыми образованиями, которые и придают крови красный цвет.

В каждом геме содержится один атом двухвалентного железа, который может непрочно связывать одну молекулу кислорода. В результате такого связывания образуется оксигемоглобин, одна молекула которого переносит к тканям четыре молекулы кислорода.

Из тканей гемоглобин выносит углекислый газ, молекулы которого присоединяются к аминогруппам, содержащимся в полипептидных цепях.

Белки

Различные типы вакцин против COVID-19

Данная статья входит в серию публикаций, посвященных разработке и распределению вакцин. Узнайте больше о вакцинах, о принципах их действия и о том, как обеспечивается их безопасность и справедливое распределение, в серии публикаций ВОЗ  «Все о вакцинах». 

По состоянию на декабрь 2020 г. разрабатывается более 200 вакцин-кандидатов против COVID-19. Из них по меньшей мере 52 вакцины-кандидата проходят исследования с участием людей. Несколько других вакцин в настоящее время находятся на этапах I/II
и в ближайшие месяцы перейдут на этап III (для получения дополнительной информации об этапах клинических исследований см. третью часть нашего обзора  Как разрабатывают вакцины?).  

Зачем разрабатывать так много вакцин?

Как правило, все многочисленные вакцины-кандидаты, прежде чем какие-либо из них будут признаны безопасными и эффективными, должны пройти тщательные клинические исследования. Например, из всех вакцин, которые исследуются в лабораториях и испытываются на
лабораторных животных, достаточно эффективными и безопасными для того, чтобы перейти к их клиническим исследованиям с участием людей, будут признаны примерно семь из ста. Из вакцин, которые достигают стадии клинических исследований, успешной оказывается
только одна из пяти. Наличие большого количества различных вакцин в разработке повышает вероятность того, что одна или несколько вакцин будут признаны безопасными и эффективными для иммунизации приоритетных групп населения.

Различные типы вакцин

Различают три основных подхода к разработке вакцин в зависимости от того, что используют для иммунизации: цельный вирус или бактерию; фрагменты микроорганизма, вызывающие иммунный ответ; только генетический материал,
содержащий код для синтеза конкретных белков, а не цельный вирус.  

Инактивированная вакцина

В первом способе создания вакцины используются болезнетворные вирус или бактерия, или очень похожие на них микроорганизмы, которые инактивируют (убивают) с помощью химических реагентов, тепла или радиации. Этот метод основывается на технологиях, которые,
как было доказано, эффективно защищают человека, – они применяются для изготовления вакцин против гриппа и полиомиелита – и позволяет наладить достаточно масштабное производство вакцин.

Однако для его применения требуются специальные лабораторные помещения, в которых можно безопасно выращивать вирус или бактерию, цикл производства может быть относительно длительным, а для иммунизации, скорее всего, потребуется введение двух или трех
доз.
 

Живая ослабленная вакцина

В живой вакцине используется ослабленный или очень похожий вирус. Примеры вакцин этого типа – вакцина против кори, эпидемического паротита и краснухи (КПК) и вакцина против ветряной оспы и опоясывающего лишая. В этом способе используется технология,
аналогичная получению инактивированной вакцины, и он может применяться для массового производства. Однако вакцины этого типа могут оказаться неприемлемыми для людей с ослабленной иммунной системой. 

Вирусная векторная вакцина

В этом виде вакцины используется безопасный вирус, который доставляет специфические субэлементы (белки) соответствующего микроорганизма, благодаря чему вакцина способна активировать иммунный ответ, не вызывая болезни. С этой целью в безопасный вирус
вводится код для формирования определенных частей соответствующего патогена. Такой безопасный вирус затем используется в качестве платформы или вектора для доставки в клетки организма белка, который активирует иммунный ответ. Примером этого типа вакцин,
которые могут быть разработаны в короткие сроки, является вакцина против Эболы. 

Субъединичные вакцины

В субъединичных вакцинах используются только специфические фрагменты (субъединицы) вируса или бактерии, которые иммунная система должна распознать. Они не содержат цельных микроорганизмов или безопасных вирусов в качестве вектора. В качестве
субъединиц могут использоваться белки или сахара. Большинство вакцин, применяемых в календаре детских прививок, являются субъединичными и защищают от таких болезней, как коклюш, столбняк, дифтерия и менингококковый менингит. 

Вакцины на основе генетического материала (нуклеиновых кислот)

В отличие от вакцин на основе ослабленных или нежизнеспособных цельных микроорганизмов или их фрагментов, в вакцине на основе нуклеиновых кислот используется участок генетической структуры, содержащий программу для генерации специфических белков, а не
цельный микроорганизм. ДНК и РНК содержат код, который используется клетками нашего организма для выработки белков. При этом ДНК сначала превращается в информационную РНК, которая затем используется в качестве программы для продуцирования специфических
белков.

Вакцина на основе нуклеиновой кислоты доставляет в клетки нашего организма определенный набор инструкций в виде ДНК или мРНК, побуждая их синтезировать нужный специфический белок, который иммунная система нашего организма должна распознать и дать на него
иммунный ответ. 

Технология с использованием генетического материала представляет собой новый способ получения вакцин. До пандемии COVID-19 ни одна из них еще не прошла через все стадии процесса одобрения для введения людям, хотя некоторые ДНК-вакцины, в том числе для
определенных видов рака, проходили исследования с участием людей. Из-за пандемии исследования в этой области продвигались очень быстро, и на некоторые вакцины против COVID-19 на основе мРНК выдаются разрешения для использования в чрезвычайных ситуациях;
а это означает, что теперь они могут вводиться людям, а не только использоваться в клинических исследованиях.   

Четыре типа структуры белка

Белки — это биологические полимеры, состоящие из аминокислот. Аминокислоты, связанные пептидными связями, образуют полипептидную цепь. Одна или несколько полипептидных цепей, скрученных в трехмерную форму, образуют белок. Белки имеют сложную форму, которая включает в себя различные складки, петли и изгибы. Сворачивание белков происходит спонтанно. Химическая связь между частями полипептидной цепи помогает удерживать белок вместе и придавать ему форму. Есть два основных класса белковых молекул: глобулярные белки и волокнистые белки.Глобулярные белки обычно компактны, растворимы и имеют сферическую форму. Волокнистые белки обычно имеют удлиненную форму и нерастворимы. Глобулярные и волокнистые белки могут иметь один или несколько из четырех типов белковой структуры.

Четыре типа структуры белка

Четыре уровня структуры белка отличаются друг от друга степенью сложности полипептидной цепи. Одна молекула белка может содержать один или несколько типов структуры белка: первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуру.

1. Первичная структура

Первичная структура описывает уникальный порядок, в котором аминокислоты соединяются вместе, образуя белок. Белки состоят из 20 аминокислот. Обычно аминокислоты обладают следующими структурными свойствами:

• Углерод (альфа-углерод), связанный с четырьмя группами ниже:
• Атом водорода (H)
• Карбоксильная группа (-COOH)
• Аминогруппа (-Nh3)
• Группа «переменная» или группа «R»

Все аминокислоты имеют альфа-углерод, связанный с атомом водорода, карбоксильной группой и аминогруппой.Группа «R» варьируется среди аминокислот и определяет различия между этими мономерами белка. Аминокислотная последовательность белка определяется информацией, содержащейся в клеточном генетическом коде. Порядок аминокислот в полипептидной цепи уникален и специфичен для конкретного белка. Изменение одной аминокислоты вызывает мутацию гена, которая чаще всего приводит к нефункционирующему белку.

2. Вторичная структура

Вторичная структура относится к свертыванию или сворачиванию полипептидной цепи, которая придает белку его трехмерную форму.В белках наблюдаются два типа вторичных структур. Одним из типов является структура альфа (α) спирали . Эта структура напоминает спиральную пружину и закреплена водородными связями в полипептидной цепи. Второй тип вторичной структуры белков — это бета (β) складчатый лист . Эта структура выглядит складчатой ​​или складчатой ​​и удерживается вместе за счет водородных связей между полипептидными единицами сложенной цепи, которые лежат рядом друг с другом.

3.Третичная структура

Третичная структура относится к комплексной трехмерной структуре полипептидной цепи белка. Существует несколько типов связей и сил, удерживающих белок в его третичной структуре.

• Гидрофобные взаимодействия в значительной степени способствуют укладке и формированию белка. Группа «R» аминокислоты является гидрофобной или гидрофильной. Аминокислоты с гидрофильными группами «R» будут искать контакт со своей водной средой, в то время как аминокислоты с гидрофобными группами «R» будут стремиться избегать воды и располагаться к центру белка.
• Водородная связь в полипептидной цепи и между аминокислотными «R» группами помогает стабилизировать структуру белка, удерживая белок в форме, установленной гидрофобными взаимодействиями.
• Из-за сворачивания белка ионная связь может происходить между положительно и отрицательно заряженными группами «R», которые находятся в тесном контакте друг с другом.
• Сворачивание также может приводить к ковалентной связи между группами «R» аминокислот цистеина.Этот тип соединения образует так называемый дисульфидный мостик . Взаимодействия, называемые силами Ван-дер-Ваальса, также способствуют стабилизации структуры белка. Эти взаимодействия относятся к силам притяжения и отталкивания, возникающим между поляризованными молекулами. Эти силы способствуют образованию связей между молекулами.

4. Четвертичная структура

Четвертичная структура относится к структуре макромолекулы белка, образованной взаимодействиями между несколькими полипептидными цепями.Каждая полипептидная цепь называется субъединицей. Белки с четвертичной структурой могут состоять более чем из одной белковой субъединицы одного типа. Они также могут состоять из разных субъединиц. Гемоглобин — это пример белка с четвертичной структурой. Гемоглобин, содержащийся в крови, представляет собой железосодержащий белок, связывающий молекулы кислорода. Он содержит четыре субъединицы: две альфа-субъединицы и две бета-субъединицы.

Как определить тип структуры белка

Трехмерная форма белка определяется его первичной структурой.Порядок аминокислот определяет структуру и конкретную функцию белка. Четкие инструкции по порядку аминокислот обозначаются генами в клетке. Когда клетка осознает необходимость синтеза белка, ДНК распадается и транскрибируется в копию РНК генетического кода. Этот процесс называется транскрипцией ДНК. Затем копия РНК транслируется с образованием белка. Генетическая информация в ДНК определяет конкретную последовательность аминокислот и конкретный производимый белок.Белки являются примерами одного типа биологического полимера. Наряду с белками, углеводы, липиды и нуклеиновые кислоты составляют четыре основных класса органических соединений в живых клетках.

Структура белка: первичная, вторичная, третичная, четвертичная структура

Скачать версию PDF

Разработчики лекарств все чаще обращаются к большим молекулам, особенно к белкам, в качестве терапевтического средства. Приготовление белкового лекарственного продукта может быть довольно сложной задачей, и без хорошего понимания природы белковой структуры и конформационных характеристик конкретного разрабатываемого белка результаты могут быть плачевными.Это краткое техническое описание призвано дать читателю краткий обзор структуры белка. В нем также будет кратко описано, как структура белка может быть затронута во время приготовления, и некоторые аналитические методы, которые можно использовать как для определения структуры, так и для анализа стабильности белка.

Термин «структура», когда он используется в отношении белков, принимает гораздо более сложное значение, чем для небольших молекул. Белки представляют собой макромолекулы и имеют четыре различных уровня структуры: первичный, вторичный, третичный и четвертичный.

Первичная структура

Существует 20 различных стандартных L-α-аминокислот, используемых клетками для построения белков. Аминокислоты, как указывает их название, содержат как основную аминогруппу, так и кислую карбоксильную группу. Эта дифункциональность позволяет отдельным аминокислотам объединяться в длинные цепи путем образования пептидных связей : амидных связей между -NH ₂ одной аминокислоты и -COOH другой. Последовательности, содержащие менее 50 аминокислот, обычно называют пептидами, тогда как термины белок и полипептид используются для более длинных последовательностей.Белок может состоять из одной или нескольких молекул полипептида. Конец пептидной или белковой последовательности со свободной карбоксильной группой называется карбокси-концом или С-концом. Термины «амино-конец» и «N-конец» описывают конец последовательности со свободной α-аминогруппой.

Аминокислоты различаются по структуре заместителями в их боковых цепях. Эти боковые цепи придают конечному пептиду или белку различные химические, физические и структурные свойства. Структуры 20 аминокислот, обычно встречающихся в белках, показаны на рисунке 1.Каждая аминокислота имеет как однобуквенное, так и трехбуквенное сокращение. Эти сокращения обычно используются для упрощения записанной последовательности пептида или белка.

В зависимости от заместителя в боковой цепи аминокислота может быть классифицирована как кислая, основная или нейтральная. Хотя для синтеза различных белков человека требуется 20 аминокислот, мы можем синтезировать только десять. Остальные 10 называются незаменимыми аминокислотами и должны поступать с пищей.

Аминокислотная последовательность белка кодируется ДНК. Белки синтезируются с помощью ряда этапов, называемых транскрипцией (использование цепи ДНК для создания дополнительной цепи матричной РНК — мРНК) и трансляцией (последовательность мРНК используется в качестве матрицы для управления синтезом цепочки аминокислот, которые образуют белок). Часто происходят посттрансляционные модификации, такие как гликозилирование или фосфорилирование, которые необходимы для биологической функции белка.В то время как аминокислотная последовательность составляет первичную структуру белка, химические / биологические свойства белка очень сильно зависят от трехмерной или третичной структуры.

Вторичная структура

Участки или нити белков или пептидов имеют различные характерные локальные структурные конформации или вторичную структуру, зависящую от водородных связей. Двумя основными типами вторичной структуры являются α-спираль и β-лист.

α-спираль — это правая спиральная нить.Заместители боковых цепей аминокислотных групп в α-спирали простираются наружу. Водородные связи образуются между кислородом каждой связи C = O в цепи и водородом каждой группы N-H на четыре аминокислоты ниже нее в спирали. Водородные связи делают эту структуру особенно устойчивой. Заместители в боковых цепях аминокислот соответствуют группам N-H.

Водородная связь в ß-листе находится между нитями (между нитями), а не внутри нитей (внутри нитей).Конформация листа состоит из пар расположенных бок о бок прядей. Карбонильные атомы кислорода в одной цепи связываются с атомами водорода соседней цепи. Две нити могут быть параллельными или антипараллельными, в зависимости от того, совпадают ли направления нитей (от N-конца к C-концу) или противоположны. Антипараллельный ß-лист более стабилен из-за более хорошо выровненных водородных связей.

Третичная структура

Общая трехмерная форма белковой молекулы — это третичная структура.Молекула белка будет изгибаться и скручиваться таким образом, чтобы достичь максимальной стабильности или самого низкого энергетического состояния. Хотя трехмерная форма белка может показаться неправильной и случайной, она формируется многими стабилизирующими силами из-за связывающих взаимодействий между группами боковых цепей аминокислот.

В физиологических условиях гидрофобные боковые цепи нейтральных неполярных аминокислот, таких как фенилаланин или изолейцин, имеют тенденцию находиться внутри белковой молекулы, тем самым защищая их от водной среды.Алкильные группы аланина, валина, лейцина и изолейцина часто образуют гидрофобные взаимодействия между собой, в то время как ароматические группы, такие как группы фенилаланина и тирозина, часто складываются вместе. Боковые цепи кислотных или основных аминокислот обычно открываются на поверхности белка, поскольку они гидрофильны.

Образование дисульфидных мостиков путем окисления сульфгидрильных групп цистеина является важным аспектом стабилизации третичной структуры белка, позволяя ковалентно удерживать вместе различные части белковой цепи.Кроме того, водородные связи могут образовываться между различными группами боковых цепей. Как и в случае с дисульфидными мостиками , эти водородные связи могут объединять две части цепи, которые находятся на некотором расстоянии друг от друга с точки зрения последовательности. Солевые мостики, ионные взаимодействия между положительно и отрицательно заряженными участками боковых цепей аминокислот также помогают стабилизировать третичную структуру белка.

Четвертичная структура

Многие белки состоят из нескольких полипептидных цепей, часто называемых белковыми субъединицами.Эти субъединицы могут быть такими же, как в гомодимере, или разными, как в гетеродимере. Четвертичная структура относится к тому, как эти белковые субъединицы взаимодействуют друг с другом и организуются, образуя более крупный агрегированный белковый комплекс. Окончательная форма белкового комплекса снова стабилизируется различными взаимодействиями, включая водородные связи, дисульфидные мостики и солевые мостики. Четыре уровня белковой структуры показаны на рисунке 2.

Стабильность белка

Из-за природы слабых взаимодействий, контролирующих трехмерную структуру, белки являются очень чувствительными молекулами.Термин «нативное состояние» используется для описания белка в его наиболее стабильной естественной конформации in situ . Это естественное состояние может быть нарушено несколькими внешними стрессовыми факторами, включая температуру, pH, удаление воды, присутствие гидрофобных поверхностей, присутствие ионов металлов и высокий сдвиг. Утрата вторичной, третичной или четвертичной структуры из-за воздействия стрессового фактора называется денатурацией. Денатурация приводит к разворачиванию белка в случайную или неправильно свернутую форму.

Денатурированный белок может иметь совершенно иной профиль активности, чем белок в его нативной форме, обычно теряя биологическую функцию. Помимо денатурирования, белки могут также образовывать агрегаты в определенных стрессовых условиях. Агрегаты часто образуются в процессе производства и, как правило, нежелательны, в основном из-за того, что они могут вызывать неблагоприятные иммунные реакции при введении.

В дополнение к этим физическим формам деградации белка также важно знать о возможных путях химической деградации белка.К ним относятся окисление, дезамидирование, гидролиз пептидной связи, перетасовка дисульфидной связи и сшивание. Методы, используемые при обработке и приготовлении белков, включая любую стадию лиофилизации, должны быть тщательно изучены, чтобы предотвратить разложение и повысить стабильность белкового биофармацевтического препарата как при хранении, так и во время доставки лекарственного средства.

Анализ структуры белка

Сложность структуры белка делает выяснение полной структуры белка чрезвычайно трудным даже с использованием самого современного аналитического оборудования.Анализатор аминокислот можно использовать для определения присутствующих аминокислот и молярных соотношений каждой из них. Затем последовательность белка может быть проанализирована с помощью пептидного картирования и использования деградации Эдмана или масс-спектроскопии. Этот процесс является обычным для пептидов и небольших белков, но становится более сложным для больших мультимерных белков.

Пептидное картирование обычно влечет за собой обработку белка различными ферментами протеазы для расщепления последовательности на более мелкие пептиды в определенных сайтах расщепления.Два обычно используемых фермента — это трипсин и химотрипсин. Масс-спектроскопия стала бесценным инструментом для анализа белков, переваренных ферментами, с помощью методов снятия отпечатков пептидов и поиска в базе данных. Деградация по Эдману включает отщепление, разделение и идентификацию одной аминокислоты за раз из короткого пептида, начиная с N-конца.

Одним из методов, используемых для характеристики вторичной структуры белка, является спектроскопия кругового дихроизма (КД). Различные типы вторичной структуры, α-спираль, β-лист и случайная спираль, все имеют характерные спектры кругового дихроизма в дальней УФ-области спектра (190–250 нм).Эти спектры можно использовать для аппроксимации доли всего белка, состоящего из каждого типа структуры.

Более полный анализ трехмерной структуры белка с высоким разрешением проводится с помощью рентгеновской кристаллографии или анализа ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Чтобы определить трехмерную структуру белка с помощью дифракции рентгеновских лучей, требуется большой хорошо упорядоченный монокристалл. Рентгеновская дифракция позволяет измерять короткие расстояния между атомами и дает трехмерную карту электронной плотности, которую можно использовать для построения модели структуры белка.

Использование ЯМР для определения трехмерной структуры белка имеет некоторые преимущества перед дифракцией рентгеновских лучей в том, что его можно проводить в растворе, и, таким образом, белок свободен от ограничений кристаллической решетки. Обычно используются методы двумерного ЯМР: NOESY, который измеряет расстояния между атомами в пространстве, и COESY, который измеряет расстояния через связи.

Анализ стабильности структуры белка

Для определения стабильности белка можно использовать множество различных методов.Для анализа разворачивания белка могут использоваться спектроскопические методы, такие как флуоресценция, УФ, инфракрасное излучение и КД. Термодинамические методы, такие как дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК), могут быть полезны для определения влияния температуры на стабильность белка. Сравнительное пептидное картирование (обычно с использованием ЖХ / МС) — чрезвычайно ценный инструмент для определения химических изменений в белке, таких как окисление или дезамидирование. ВЭЖХ также является бесценным средством анализа чистоты белка. Другие аналитические методы, такие как SDS-PAGE, изоэлектрическое фокусирование и капиллярный электрофорез, также могут быть использованы для определения стабильности белка, и для определения эффективности белкового биофармацевтического препарата следует использовать подходящий биоанализ.Агрегатное состояние можно определить, следуя размеру «частиц», и теперь доступны инструменты, расположенные в массиве, чтобы отслеживать это с течением времени при различных условиях.

Разнообразие методов определения стабильности белка еще раз подчеркивает сложность природы структуры белка и важность поддержания этой структуры для успешного биофармацевтического продукта.

Список литературы

1. Структура, стабильность и сворачивание белка, Методы молекулярной биологии, 168, под редакцией Кеннета П.Мерфи
2. Стабильность и сворачивание белков, Теория и практика, Методы молекулярной биологии, Vol. 40, под редакцией Брета Ширли

Структура белка | Изучайте науку в Scitable

Строительными блоками белков являются аминокислоты, которые представляют собой небольшие органические молекулы, состоящие из альфа (центрального) атома углерода, связанного с аминогруппой, карбоксильной группы, атома водорода и вариабельного компонента, называемого боковой цепью (см. Ниже ). Внутри белка несколько аминокислот связаны между собой пептидными связями , тем самым образуя длинную цепь.Пептидные связи образуются в результате биохимической реакции, которая извлекает молекулу воды, поскольку она соединяет аминогруппу одной аминокислоты с карбоксильной группой соседней аминокислоты. Линейная последовательность аминокислот в белке считается первичной структурой белка.

Белки состоят из набора всего из двадцати аминокислот, каждая из которых имеет уникальную боковую цепь. Боковые цепи аминокислот имеют разный химический состав. Самая большая группа аминокислот имеет неполярные боковые цепи.Некоторые другие аминокислоты имеют боковые цепи с положительными или отрицательными зарядами, в то время как другие имеют полярные, но незаряженные боковые цепи. Химический состав боковых цепей аминокислот имеет решающее значение для структуры белка, потому что эти боковые цепи могут связываться друг с другом, чтобы удерживать длину белка в определенной форме или конформации. Боковые цепи заряженных аминокислот могут образовывать ионные связи, а полярные аминокислоты способны образовывать водородные связи. Гидрофобные боковые цепи взаимодействуют друг с другом посредством слабых ван-дер-ваальсовых взаимодействий.Подавляющее большинство связей, образованных этими боковыми цепями, нековалентны. Фактически, цистеины — единственные аминокислоты, способные образовывать ковалентные связи, что они и делают со своими конкретными боковыми цепями. Из-за взаимодействий боковых цепей последовательность и расположение аминокислот в конкретном белке определяют, где в этом белке происходят изгибы и складки (рис. 1).

Рис. 1: Взаимосвязь между боковыми цепями аминокислот и конформацией белка

Определяющим признаком аминокислоты является ее боковая цепь (вверху, синий кружок; внизу, все цветные кружки).Когда аминокислоты соединяются серией пептидных связей, они образуют полипептид, другое слово для обозначения белка. Затем полипептид сворачивается в определенную конформацию в зависимости от взаимодействий (пунктирные линии) между его боковыми аминокислотными цепями.

Рис. 2. Структура белка бактериородопсина

Бактериородопсин — это мембранный белок бактерий, который действует как протонная помпа.Его форма важна для его функции. Общая структура белка включает как альфа-спирали (зеленый), так и бета-листы (красный).

Первичная структура белка — его аминокислотная последовательность — управляет складыванием и внутримолекулярным связыванием линейной аминокислотной цепи, что в конечном итоге определяет уникальную трехмерную форму белка. Водородная связь между аминогруппами и карбоксильными группами в соседних областях белковой цепи иногда вызывает определенные паттерны сворачивания.Известные как альфа-спирали и бета-листы , эти стабильные паттерны складывания составляют вторичную структуру белка. Большинство белков содержат несколько спиралей и листов в дополнение к другим менее распространенным образцам (рис. 2). Совокупность образований и складок в одной линейной цепи аминокислот — иногда называемой полипептидом — составляет третичную структуру белка. Наконец, четвертичная структура белка относится к тем макромолекулам с множеством полипептидных цепей или субъединиц.

Окончательная форма, принятая вновь синтезированным белком, обычно является наиболее энергетически выгодной. Когда белки сворачиваются, они тестируют множество конформаций, прежде чем достичь своей окончательной формы, которая является уникальной и компактной. Сложенные белки стабилизируются тысячами нековалентных связей между аминокислотами. Кроме того, химические силы между белком и его непосредственным окружением способствуют формированию и стабильности белка. Например, белки, которые растворены в цитоплазме клетки, имеют на своей поверхности гидрофильные (водолюбивые) химические группы, тогда как их гидрофобные (водоотталкивающие) элементы имеют тенденцию скрываться внутри.Напротив, белки, которые вставлены в клеточные мембраны, имеют на своей поверхности некоторые гидрофобные химические группы, особенно в тех областях, где поверхность белка подвергается воздействию липидов мембраны. Однако важно отметить, что полностью свернутые белки не замораживаются. Скорее, атомы в этих белках остаются способными совершать небольшие движения.

Несмотря на то, что белки считаются макромолекулами, они слишком малы, чтобы их можно было визуализировать даже в микроскоп.Итак, ученые должны использовать косвенные методы, чтобы выяснить, как они выглядят и как сложены. Наиболее распространенным методом исследования структуры белков является рентгеновская кристаллография . С помощью этого метода твердые кристаллы очищенного белка помещаются в пучок рентгеновских лучей, и картина отклоненных рентгеновских лучей используется для прогнозирования положений тысяч атомов в кристалле белка.

Структура белка | Введение в химию

Цель обучения

• Обобщите четыре уровня структуры белка

---

Ключевые моменты

• Структура белка зависит от его аминокислотной последовательности и локальных низкоэнергетических химических связей между атомами как в основной цепи полипептида, так и в боковых цепях аминокислот.
• Структура белка играет ключевую роль в его функции; если белок теряет свою форму на каком-либо структурном уровне, он может больше не функционировать.
• Первичная структура — это аминокислотная последовательность.
• Вторичная структура — это локальные взаимодействия между участками полипептидной цепи, включающая α-спираль и β-складчатые листовые структуры.
• Третичная структура — это общее трехмерное сворачивание, в значительной степени обусловленное взаимодействием между R-группами.
• Четвертичные структуры — это ориентация и расположение субъединиц в мульти-субъединичном белке.

---

Условия

• β-складчатый лист: вторичная структура белков, в которой группы N-H в основной цепи одной полностью вытянутой цепи устанавливают водородные связи с группами C = O в основной цепи соседней полностью вытянутой цепи.
• α-спираль — вторичная структура белков, где каждый N-H основной цепи создает водородную связь с группой C = O аминокислоты на четыре остатка ранее в той же спирали.
• антипараллельно Природа противоположных ориентаций двух цепей ДНК или двух бета-цепей, составляющих вторичную структуру белка.
• Дисульфидная связь Связь, состоящая из ковалентной связи между двумя атомами серы, образованная реакцией двух тиоловых групп, особенно между тиоловыми группами двух белков

---

Форма белка имеет решающее значение для его функции, поскольку она определяет, может ли белок взаимодействовать с другими молекулами.Белковые структуры очень сложны, и только совсем недавно исследователи смогли легко и быстро определить структуру полных белков вплоть до атомного уровня. (Используемые методы относятся к 1950-м годам, но до недавнего времени они были очень медленными и трудоемкими в использовании, поэтому полные белковые структуры решались очень медленно.) Ранние структурные биохимики концептуально разделили белковые структуры на четыре «уровня», чтобы упростить задачу. чтобы понять сложность общей структуры.Чтобы определить, как белок приобретает свою окончательную форму или конформацию, нам необходимо понять эти четыре уровня структуры белка: первичный, вторичный, третичный и четвертичный.

Первичная структура

Первичная структура белка — это уникальная последовательность аминокислот в каждой полипептидной цепи, из которой состоит белок. На самом деле, это просто список аминокислот в полипептидной цепи, а не ее структура. Но поскольку окончательная структура белка в конечном итоге зависит от этой последовательности, это было названо первичной структурой полипептидной цепи.Например, гормон поджелудочной железы инсулин имеет две полипептидные цепи, A и B.

Первичная структура Цепь А инсулина имеет длину 21 аминокислоту, а цепь В — 30 аминокислот, и каждая последовательность уникальна для белка инсулина.

Ген или последовательность ДНК в конечном итоге определяет уникальную последовательность аминокислот в каждой пептидной цепи. Изменение нуклеотидной последовательности кодирующей области гена может привести к добавлению другой аминокислоты к растущей полипептидной цепи, вызывая изменение структуры белка и, следовательно, функции.

Гемоглобин, транспортирующий кислород, состоит из четырех полипептидных цепей, двух идентичных α-цепей и двух идентичных β-цепей. При серповидно-клеточной анемии простая замена аминогруппы в β-цепи гемоглобина вызывает изменение структуры всего белка. Когда аминокислота глутаминовая кислота заменяется валином в β-цепи, полипептид складывается в несколько иную форму, что создает дисфункциональный белок гемоглобина. Итак, всего одна замена аминокислоты может вызвать кардинальные изменения.Эти дисфункциональные белки гемоглобина в условиях низкого содержания кислорода начинают связываться друг с другом, образуя длинные волокна, состоящие из миллионов агрегированных гемоглобинов, которые искажают эритроциты в форме полумесяца или «серпа», которые закупоривают артерии. Люди, страдающие этим заболеванием, часто испытывают одышку, головокружение, головные боли и боли в животе.

Серповидно-клеточная анемия Серповидные клетки имеют форму полумесяца, тогда как нормальные клетки имеют форму диска.

Вторичная структура

Вторичная структура белка — это любые регулярные структуры, возникающие в результате взаимодействий между соседними или соседними аминокислотами, когда полипептид начинает складываться в свою функциональную трехмерную форму.Вторичные структуры возникают, когда образуются Н-связи между локальными группами аминокислот в области полипептидной цепи. Редко одна вторичная структура распространяется по всей полипептидной цепи. Обычно это просто часть цепочки. Наиболее распространенными формами вторичной структуры являются α-спиральные и β-складчатые листовые структуры, и они играют важную структурную роль в большинстве глобулярных и волокнистых белков.

Вторичная структура α-спираль и β-складчатый лист образуются из-за водородной связи между карбонильной и аминогруппой в основной цепи пептида.Некоторые аминокислоты имеют склонность к образованию α-спирали, а другие — к образованию β-складчатого листа.

В цепи α-спирали водородная связь образуется между атомом кислорода в карбонильной группе основной цепи полипептида в одной аминокислоте и атомом водорода в аминогруппе основной цепи полипептида другой аминокислоты, которая находится на четыре аминокислоты дальше по цепи. Это удерживает отрезок аминокислот в правой спирали. Каждый виток альфа-спирали содержит 3,6 аминокислотных остатка.Группы R (боковые цепи) полипептида выступают из цепи α-спирали и не участвуют в H-связях, которые поддерживают структуру α-спирали.

В β-гофрированных листах участки аминокислот сохраняются в почти полностью вытянутой конформации, которая «складывается» или зигзагообразно из-за нелинейной природы одиночных ковалентных связей C-C и C-N. β-гофрированные листы никогда не встречаются отдельно. Они должны удерживаться на месте другими β-гофрированными листами. Участки аминокислот в β-складчатых листах удерживаются в их складчатой ​​структуре листа, потому что водородные связи образуются между атомом кислорода в карбонильной группе полипептидной основной цепи одного β-складчатого листа и атомом водорода в аминогруппе полипептидного каркаса другого β-складчатого листа. лист гофрированный.Скрепляющие друг друга β-гофрированные листы выровнены параллельно или антипараллельно друг другу. Группы R аминокислот в β-складчатом листе указывают перпендикулярно водородным связям, удерживающим β-складчатые листы вместе, и не участвуют в поддержании структуры β-складчатого листа.

Третичная структура

Третичная структура полипептидной цепи — это ее общая трехмерная форма после того, как все элементы вторичной структуры сложены вместе друг с другом.Взаимодействия между полярной, неполярной, кислотной и основной R-группой в полипептидной цепи создают сложную трехмерную третичную структуру белка. Когда сворачивание белка происходит в водной среде тела, гидрофобные группы R неполярных аминокислот в основном лежат внутри белка, в то время как гидрофильные группы R лежат в основном снаружи. Боковые цепи цистеина образуют дисульфидные связи в присутствии кислорода, единственную ковалентную связь, образующуюся во время сворачивания белка.Все эти взаимодействия, слабые и сильные, определяют окончательную трехмерную форму белка. Когда белок теряет свою трехмерную форму, он больше не функционирует.

Третичная структура Третичная структура белков определяется гидрофобными взаимодействиями, ионными связями, водородными связями и дисульфидными связями.

Четвертичная структура

Четвертичная структура белка — это то, как его субъединицы ориентированы и расположены относительно друг друга.В результате четвертичная структура применима только к многосубъединичным белкам; то есть белки, состоящие из одной, чем одной полипептидной цепи. Белки, полученные из одного полипептида, не будут иметь четвертичной структуры.

В белках с более чем одной субъединицей слабые взаимодействия между субъединицами помогают стабилизировать общую структуру. Ферменты часто играют ключевую роль в связывании субъединиц с образованием конечного функционирующего белка.

Например, инсулин представляет собой шарообразный глобулярный белок, который содержит как водородные связи, так и дисульфидные связи, которые удерживают вместе две его полипептидные цепи.Шелк — это волокнистый белок, который образуется в результате водородных связей между различными β-складчатыми цепями.

Четыре уровня структуры белка На этих иллюстрациях можно увидеть четыре уровня структуры белка.

Показать источники

Boundless проверяет и курирует высококачественный контент с открытой лицензией из Интернета. Этот конкретный ресурс использовал следующие источники:

Глава 2: Структура белка — химия

Глава 2: Структура белка

2.1 Структура и свойства аминокислот

2.2 Образование пептидной связи и структура первичного белка

2.3 Структура вторичного белка

2.4 Супервторичная структура и белковые мотивы

2,5 Структура третичного и четвертичного белка

2.6 Сворачивание, денатурация и гидролиз белков

2.7 Ссылки

---

2.1 Структура и свойства аминокислот

Белки — одни из самых распространенных органических молекул в живых системах, и среди всех макромолекул они обладают самым разнообразным набором функций. Белки могут быть структурными, регуляторными, сократительными или защитными; они могут служить для транспортировки, хранения или перепонки; или они могут быть токсинами или ферментами. Каждая клетка живой системы может содержать тысячи различных белков, каждый из которых выполняет уникальную функцию. Их структуры, как и их функции, сильно различаются.Однако все они представляют собой полимеры альфа-аминокислот, расположенные в линейной последовательности и связанные друг с другом ковалентными связями.

Структура альфа-аминокислот

Основным строительным блоком белков являются альфа (α) аминокислоты . Как следует из их названия, они содержат функциональную группу карбоновой кислоты и функциональную группу амина. Обозначение альфа используется, чтобы указать, что эти две функциональные группы отделены друг от друга одной углеродной группой.Помимо амина и карбоновой кислоты, альфа-углерод также присоединен к водороду и одной дополнительной группе, которая может различаться по размеру и длине. На схеме ниже эта группа обозначена как R-группа. В живых организмах в качестве строительных блоков белка используются 20 аминокислот. Они отличаются друг от друга только положением R-группы. Основная структура аминокислоты показана ниже:

Рисунок 2.1 Общая структура альфа-аминокислоты

---

Всего 20 альфа-аминокислот, которые обычно включаются в белковые структуры (Рисунок 2.Икс). Различные R-группы имеют разные характеристики в зависимости от природы атомов, включенных в функциональные группы. Есть R-группы, которые преимущественно содержат углерод и водород и очень неполярны или гидрофобны. Другие содержат полярные незаряженные функциональные группы, такие как спирты, амиды и тиолы. Некоторые аминокислоты являются основными (содержащие функциональные аминогруппы) или кислотными (содержащими функциональные группы карбоновых кислот). Эти аминокислоты способны образовывать полные заряды и могут взаимодействовать с ионами.Каждая аминокислота может быть сокращена с использованием трехбуквенного и однобуквенного кода.

Рис. 2.2 Структура 20 альфа-аминокислот, используемых в синтезе белка. R-групп обозначены обведенными / окрашенными участками каждой молекулы. Цвета указывают на определенные классы аминокислот: гидрофобные — зеленый и желтый, гидрофильные полярные незаряженные — оранжевый, гидрофильные кислые — синие, гидрофильные основные — розовые.

Щелкните здесь, чтобы загрузить версию таблицы аминокислот

---

Неполярные (гидрофобные) аминокислоты

Неполярные аминокислоты можно в значительной степени подразделить на два более конкретных класса: алифатические аминокислоты , аминокислот и ароматические аминокислоты . алифатические аминокислоты (глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин и пролин) обычно содержат разветвленные углеводородные цепи, от простейшего глицина до более сложных структур лейцина и валина. Пролин также классифицируется как алифатическая аминокислота, но обладает особыми свойствами, поскольку углеводородная цепь циклизуется с концевым амином, создавая уникальную 5-членную кольцевую структуру. Как мы увидим в следующем разделе, посвященном первичной структуре, пролин может значительно изменить трехмерную структуру из-за структурной жесткости кольцевой структуры, когда он включен в полипептидную цепь и обычно обнаруживается в областях белка, где возникают складки или повороты.

Ароматические аминокислоты , (фенилаланин, тирозин и триптофан), , как следует из их названия, содержат ароматические функциональные группы в своей структуре, что делает их в значительной степени неполярными и гидрофобными из-за высокого содержания углерода / водорода. Однако следует отметить, что гидрофобность и гидрофильность представляют собой скользящую шкалу, и каждая из различных аминокислот может иметь разные физические и химические свойства в зависимости от своей структуры. Например, гидроксильная группа, присутствующая в тирозине, увеличивает его реакционную способность и растворимость по сравнению с фенилаланином.

Метионин, одна из серосодержащих аминокислот обычно классифицируется как неполярные, гидрофобные аминокислоты, так как концевая метильная группа создает функциональную группу тиоэфира, которая обычно не может образовывать постоянный диполь внутри молекулы и сохраняет низкую растворимость.

Полярные (гидрофильные) аминокислоты

Полярные гидрофильные аминокислоты можно подразделить на три основных класса: полярные незаряженные, кислотные и основные функциональные группы.В пределах полярного незаряженного класса боковые цепи содержат гетероатомы (O, S или N), которые способны образовывать постоянные диполи в R-группе. К ним относятся гидроксил- и сульфоксил-содержащие аминокислоты, серин, треонин и цистеин и амидосодержащие аминокислоты , глутамин и аспаригин. Две аминокислоты, глутаминовая кислота (глутамат) и аспарагиновая кислота (аспартат) составляют кислые аминокислоты и содержат боковые цепи с функциональными группами карбоновых кислот, способными полностью ионизироваться в растворе.Основные аминокислоты , лизин, аргинин и гистидин содержат функциональные аминогруппы, которые можно протонировать для обеспечения полного заряда.

Многие аминокислоты с гидрофильными R-группами могут участвовать в активном сайте ферментов. Активный центр — это часть фермента, которая напрямую связывается с субстратом и осуществляет реакцию. Белковые ферменты содержат каталитических группы , состоящих из R-групп аминокислот, которые способствуют образованию и разрушению связей.Аминокислоты, которые играют важную роль в специфичности связывания активного сайта, обычно не примыкают друг к другу в первичной структуре, а образуют активный сайт в результате сворачивания при создании третичной структуры, как вы увидите позже в глава.

Белковые структуры, построенные из основных аминокислот, могут состоять из сотен аминокислот. Таким образом, для простоты 20 аминокислот, используемых для синтеза белка, имеют аббревиатуры как трехбуквенного, так и однобуквенного кода (Таблица 2.1). Эти сокращения обычно используются для обозначения белковых последовательностей в биоинформатических и исследовательских целях.

Таблица 2.1 Аббревиатуры α-аминокислот

---

---

Мысленный вопрос: Триптофан содержит функциональную группу амина, почему триптофан не является основным?

Ответ: Триптофан содержит индольную кольцевую структуру, которая включает функциональную группу амина. Однако из-за близости и электроноакцепторной природы ароматической кольцевой структуры неподеленная пара электронов на азоте недоступна для принятия протона.Вместо этого они участвуют в образовании связей p- в нескольких различных резонансных структурах, возможных для индольного кольца. На рис. 2.3A показаны четыре возможные резонансные структуры для индола. И наоборот, в структуре имидазольного кольца, обнаруженной в гистидине, есть два атома азота, один из которых участвует в образовании резонансных структур (азот № 1 на рисунке 2.3B) и не может принимать протон, а другой (азот № 3 ), которая имеет неподеленную пару электронов, которая может принять протон.

Рис. 2.3 Сравнение структурной доступности неподеленной пары электронов на азоте для принятия протона в кольцевой структуре индола и иммидизола . (A) Показаны четыре резонансные структуры индольной кольцевой структуры, демонстрирующие, что неподеленная пара электронов на азоте участвует в образовании pi -связей. (B) Кольцевая структура имидазола имеет один азот (1), который участвует в резонансных структурах (не показаны) и не может принимать протон, в то время как второй азот (3) имеет неподеленную пару электронов, доступных для принятия протона. как показано.

Работайте самостоятельно:

В приведенном выше примере опишите с помощью химической диаграммы, почему амидные атомы азота, содержащиеся в аспарагине и глутамине, не являются основными.

---

---

Альфа-аминокислоты — хиральные молекулы

Если вы изучите структуру альфа-углерода в каждой из аминокислот, вы заметите, что все аминокислоты, за исключением глицина, являются хиральными молекулами (Рисунок 2.4) Хиральная молекула — это молекула, которая не накладывается на свое зеркальное отображение. Подобно левой и правой руке с большим пальцем и пальцами в одном порядке, но они являются зеркальными, а не одинаковыми, к хиральным молекулам прикреплены одни и те же предметы в одном и том же порядке, но они являются зеркальными, а не одинаковыми. Версии хиральных молекул с зеркальным отображением обладают физическими свойствами, которые почти идентичны друг другу, что делает их очень трудными для отличия друг от друга или разделения.Из-за этой природы им дано специальное название стереоизомера — энантиомеры , и фактически сами соединения получили такое же название! Эти молекулы действительно различаются тем, как они вращают простой поляризованный свет, и тем, как они реагируют и взаимодействуют с биологическими молекулами. Молекулы, вращающие свет в правостороннем направлении, называются правовращающими и обозначаются буквой D. Молекулы, которые вращают свет в левом направлении, называются левовращающими и обозначаются буквой L, чтобы отличить один энантиомер от другого.D- и L-формы аланина показаны на рисунке 2.4B.

Хотя большинство аминокислот могут существовать как в левосторонней, так и в правосторонней формах, жизнь на Земле состоит почти исключительно из левосторонних аминокислот. Протеогенные аминокислоты, включенные в белки рибосомами, всегда находятся в L-конформации. Некоторые бактерии могут включать D-аминокислоты в пептиды, не кодируемые рибосомами, но D-аминокислоты в природе используются редко. Интересно, что когда мы обсудим структуру сахаров в главе XX, мы обнаружим, что сахара, которые включены в углеводные структуры, почти исключительно находятся в D-конформации.Никто не знает, почему это так. Однако доктор. Джон Кронин и Сандра Пиццарелло показали, что из аминокислот, которые падают на Землю из космоса на метеоритах, больше находится в L-конформации, чем в D-конформации. Таким образом, то, что мы состоим преимущественно из L-аминокислот, может быть связано с аминокислотами из космоса.

Почему аминокислоты в космосе благоприятствуют L-конформации? Никто точно не знает, но известно, что излучение также может существовать в левосторонней и правосторонней формах. Итак, существует теория под названием гипотеза Боннера , которая предполагает, что преобладающие формы излучения в космосе (т. Е.от вращающейся нейтронной звезды, например) может привести к селективному образованию гомохиральных молекул, таких как L-аминокислоты и D-сахара. Это все еще спекулятивно, но недавние открытия метеоритов делают эту гипотезу гораздо более правдоподобной.

Рисунок 2.4 Хиральность аминокислот. За исключением простейшей аминокислоты, глицина, все другие аминокислоты, которые включены в белковые структуры, имеют хиральную природу. (A) Демонстрирует хиральность структуры основной альфа-аминокислоты при использовании неспецифической R-группы.(B) Пара энантиомеров D- и L-аланина, верхняя диаграмма представляет модель шара и клюшки, а нижняя диаграмма представляет линейную структуру.

Изображение (A) из NASA

---

Обратите внимание, что обозначения D и L — это особые термины, используемые для того, как молекула вращает простой поляризованный свет. Это не означает абсолютную стереоконфигурацию молекулы. Абсолютная конфигурация относится к пространственному расположению атомов хирального молекулярного объекта (или группы) и его стереохимическому описанию e.г. R или S , имея в виду Rectus или Sinister соответственно.

Абсолютные конфигурации хиральной молекулы (в чистом виде) чаще всего получают с помощью рентгеновской кристаллографии. Альтернативными методами являются оптическая вращательная дисперсия, колебательный круговой дихроизм, использование реагентов хирального сдвига в протонном ЯМР и визуализации кулоновского взрыва. После получения абсолютной конфигурации назначение R или S основано на правилах приоритета Кана – Ингольда – Прелога, , которые можно просмотреть, перейдя по ссылке и на рисунке 2.5. Все хиральные аминокислоты, кроме цистеина, также находятся в S-конформации. Цистеин содержит атом серы, из-за чего R-группа имеет более высокий приоритет, чем функциональная группа карбоновой кислоты, что приводит к R-конформации для абсолютной стереохимии. Однако цистеин действительно вращает простой поляризованный свет в левовращающем или левовращающем направлении. Таким образом, R- и S-обозначения не всегда соответствуют D- и L-конформации.

Рисунок 2.5 Абсолютная конфигурация определяется обозначениями Rectus (R) и Sinister (S). В системе Кан-Ингольда Прелога для наименования хиральных центров группы, присоединенные к хиральному центру, ранжируются в соответствии с их атомным номером, причем наивысший атомный номер получает наивысший приоритет (A на диаграмме выше), а наименьший атомный номер получает наименьший приоритет (D на диаграмме выше). Затем наблюдатель с самым низким приоритетом направляет молекулу в сторону, чтобы правильно сориентировать молекулу для дальнейшей оценки.Затем отслеживается путь приоритетов №1, №2 и №3 (соответствующих A, B и C выше). Если путь идет по часовой стрелке, хиральному центру присваивается R-обозначение, тогда как если путь идет против часовой стрелки, ему присваивается S-обозначение.

Изображение из Википедия

---

Аминокислоты — цвиттерионы

В химии цвиттер-ион представляет собой молекулу с двумя или более функциональными группами, из которых по крайней мере одна имеет положительный, а другая отрицательный электрический заряд, а суммарный заряд всей молекулы равен нулю при определенном pH.Поскольку они содержат по крайней мере один положительный и один отрицательный заряд, цвиттерионы также иногда называют внутренними солями . Заряды на различных функциональных группах уравновешивают друг друга, и молекула в целом может быть электрически нейтральной при определенном pH. Значение pH, при котором это происходит, известно как изоэлектрическая точка –.

В отличие от простых амфотерных соединений, которые могут образовывать только или катионные или анионные частицы, цвиттерион одновременно имеет оба ионных состояния.Аминокислоты являются примерами цвиттерионов (рис. 2.6). Эти соединения содержат аммонийную и карбоксилатную группы, и их можно рассматривать как возникающие в результате своего рода внутримолекулярной кислотно-основной реакции: аминогруппа депротонирует карбоновую кислоту.

Рис. 2.6 Аминокислоты — это цвиттерионы. Аминокислота содержит как кислотные (фрагмент карбоновой кислоты), так и основные (фрагмент амина) центры. Изомер справа — это цвиттерионная форма.

---

Поскольку аминокислоты являются цвиттерионами, а некоторые из них также содержат потенциал для ионизации в своих R-группах, их состояние заряда in vivo , и, таким образом, их реакционная способность может варьироваться в зависимости от pH, температуры и статуса сольватации локальных микросреда, в которой они расположены.Таблица стандартных значений pK _и для аминокислот показана в таблице 2.1 и может использоваться для прогнозирования состояния ионизации / заряда аминокислот и полученных ими пептидов / белков. Однако следует отметить, что статус сольватации в микроокружении аминокислоты может изменять относительные значения pK _a этих функциональных групп и обеспечивать уникальные реактивные свойства в активных центрах ферментов (таблица 2.1). Более подробное обсуждение эффектов десольватации будет дано в главе XX, посвященной механизмам ферментативных реакций.

Таблица 2.1

Версия для печати значений pKa

---

Как видно из таблицы 2.1, семь аминокислот содержат R-группы с ионизируемыми боковыми цепями и обычно находятся в активных центрах ферментов. Напомним, что pK _a определяется как pH, при котором ионизированная и неионизированная формы ионизируемой функциональной группы в молекуле существуют в равных концентрациях. Таким образом, когда функциональная группа сдвигается выше или ниже ее значения pK _— , произойдет сдвиг в концентрациях ионизированных и неионизированных форм в пользу одного состояния по сравнению с другим.На рис. 2.7 показаны различные R-группы в их неионизированном и ионизированном состояниях и их предпочтительные состояния выше или ниже значения pK _— .

Рис. 2.7 Ионизируемые функциональные группы в обычных аминокислотах. Во всех аминокислотах как функциональная группа карбоновой кислоты (C-конец), так и функциональная группа амина (N-конец) способны к ионизации. Кроме того, семь аминокислот (аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота, аргинин, гистидин, лизин, тирозин и цистеин) также содержат ионизируемые функциональные группы в своих R-группах.Предпочтительные состояния функциональной группы показаны либо выше, либо ниже их соответствующих значений pK _a .

---

Обычно ионизируемая группа будет благоприятствовать протонированному состоянию в условиях pH ниже ее соответствующих значений pK _a и будет благоприятствовать депротонированному состоянию в условиях pH выше ее соответствующего значения pK _a . Таким образом, значения pK _a могут быть использованы для помощи в прогнозировании общих зарядовых состояний аминокислот и их результирующих пептидов / белков в определенной среде.Например, если мы посмотрим на кривую титрования основной аминокислоты, гистидина (рис. 2.8). При достижении каждого pK _a состояние заряда аминокислоты изменяется в пользу депротонированного состояния. Таким образом, гистидин будет медленно прогрессировать от общего заряда +2 при очень низком pH (полностью протонированный) до общего заряда -1 при очень высоком pH (полностью депротонирован).

Рис. 2.8 Состояние ионизации гистидина в средах с различным pH. (A) Кривая титрования гистидина от низкого pH до высокого pH.Указывается каждая точка эквивалентности (pK _a ). (B) Показывает благоприятное состояние ионизации гистидина после прохождения каждого pK _{значения} .

Изображение адаптировано из Л. Ван Уоррен

---

---

Дополнительная практика:

Нарисуйте глутаминовую кислоту и спрогнозируйте общее состояние заряда аминокислоты при pH = 1, pH = 3, pH = 7 и pH = 12.

---

---

Образование цистеиновых и дисульфидных связей

Цистеин также является уникальной аминокислотой, поскольку эта боковая цепь способна подвергаться обратимой окислительно-восстановительной реакции ( редокс ) с другими остатками цистеина, создавая ковалентную дисульфидную связь в окисленном состоянии (Рисунок 2.9). Вспомните, что когда молекулы окисляются, они теряют электроны, а когда молекулы восстанавливаются, они приобретают электроны. Во время биологических окислительно-восстановительных реакций ионы водорода ( протонов ) часто удаляются с электронами из молекулы во время окисления и возвращаются во время восстановления. Таким образом, если реакция теряет или набирает протоны, это хороший признак того, что она также теряет или набирает электроны и что происходит окислительно-восстановительная реакция.Таким образом, получение или потеря протонов может быть простым способом идентифицировать этот тип реакции.

Дисульфидные связи являются неотъемлемой частью образования трехмерной структуры белков и, следовательно, могут сильно влиять на функцию получаемого белка. В клеточных системах образование / разрыв дисульфидной связи является ферментно-опосредованной реакцией и может использоваться в качестве механизма для контроля активности белка. Дисульфидные связи будут обсуждаться более подробно в разделе 2.xx данной главы и в главе XX.

Рис. 2.9. Цистеин может окисляться с образованием дисульфидных связей. Во время образования дисульфидной связи два цистеина окисляются с образованием молекулы цистина. Это требует потери двух протонов и двух электронов.

наверх

---

2.2 Образование пептидных связей и структура первичного белка

В клеточных системах белки связаны между собой большим ферментным комплексом, который содержит смесь РНК и белков.Этот комплекс называется рибосомой . Таким образом, поскольку аминокислоты связаны друг с другом с образованием определенного белка, они размещаются в очень определенном порядке, который диктуется генетической информацией, содержащейся в молекуле информационной РНК (мРНК). Этот специфический порядок аминокислот известен как первичная последовательность белка . Механизм трансляции, используемый рибосомой для синтеза белков, будет подробно обсуждаться в главе XX.В этой главе основное внимание будет уделено химической реакции, происходящей во время синтеза, и физическим свойствам полученных пептидов / белков.

Первичная последовательность белка связана вместе с использованием синтеза дегидратации (потеря воды), которые объединяют карбоновую кислоту вышележащей аминокислоты с аминогруппой нижележащей аминокислоты с образованием амидной связи (рис. 2.10). ). Аналогично, обратная реакция — это гидролиз и требует включения молекулы воды для разделения двух аминокислот и разрыва амидной связи.Примечательно, что рибосома служит ферментом, который опосредует реакции синтеза дегидратации, необходимые для построения белковых молекул, тогда как класс ферментов, называемых протеазами , необходим для гидролиза белка.

В белковых структурах амидная связь между аминокислотами известна как пептидная связь . Последующие аминокислоты будут добавлены на конце карбоновой кислоты растущего белка.Таким образом, белки всегда синтезируются направленным образом, начиная с амина и заканчивая хвостом карбоновой кислоты. Новые аминокислоты всегда добавляются к хвосту карбоновой кислоты, а не к амину первой аминокислоты в цепи. Направленность синтеза белка определяется рибосомой и известна как N- to C-синтез .

Рис. 2.10. Образование пептидной связи. Добавление двух аминокислот для образования пептида требует синтеза дегидратации.

---

Как отмечалось выше в разделе о цвиттерионе, амидные связи имеют резонансную структуру, которая не позволяет атомной неподеленной паре электронов действовать как основание (рис. 2.11).

Рисунок 2.11 Резонансная структура амида. Во время амидного резонанса неподеленные пары электронов из азота участвуют в образовании pi -связи с карбонильным углеродом, образующим двойную связь. Таким образом, амидные атомы азота не являются основными. Кроме того, связь C-N в амидной структуре зафиксирована в пространстве и не может вращаться из-за характера связи p-.

Изображение В.К. Чанг

---

Вместо этого они участвуют в образовании связи p- с карбонильным углеродом. Кроме того, связь C-N в амидной структуре зафиксирована в пространстве и не может вращаться из-за характера связи p-. Это создает фиксированные физические положения R-групп в растущем пептиде либо в конформациях цис, или транс, . Поскольку R-группы могут быть довольно объемными, они обычно чередуются по обе стороны от растущей белковой цепи в конформации транс .Конформация цис предпочтительна только с одной конкретной аминокислотой, пролином . Это связано с циклической структурой R-группы пролина и стерическими препятствиями, которые создаются, когда пролин принимает конформацию транс (рис. 2.12). Таким образом, остатки пролина могут иметь большое влияние на трехмерную структуру полученного пептида.

Рисунок 2.12. Конформация Cis и Trans R-групп аминокислот. Верхняя диаграмма отображает конформации цис и транс двух соседних аминокислот, обозначенных как X и Y, которые обозначают любую из 20 аминокислот, за исключением пролина. В конформации trans R-группа от аминокислоты X повернута в сторону и находится на другой стороне молекулы по сравнению с R-группой от аминокислоты Y. Эта конформация дает наименьшее количество стерических препятствий по сравнению с cis конформация, в которой R-группы расположены с одной стороны и в непосредственной близости друг от друга.На нижней диаграмме любая аминокислота X расположена перед остатком пролина. Из-за циклизации R-группы пролина с амидным азотом в основной цепи это смещает положение R-группы пролина, чтобы быть ближе к R-группе от аминокислоты X, когда она принимает конформацию trans . Таким образом, пролин отдает предпочтение конформации цис , которая имеет меньшие стерические препятствия.

---

Белки представляют собой очень большие молекулы, содержащие много аминокислотных остатков, связанных вместе в очень определенном порядке.Белки имеют размер от 50 аминокислот до самого большого известного белка, содержащего 33 423 аминокислоты. Макромолекулы, содержащие менее 50 аминокислот, известны как пептиды (рис. 2.13).

Рис. 2.13. Пептиды и белки — это макромолекулы, состоящие из длинных цепочек аминокислот, соединенных вместе амидными связями. Порядок и природа аминокислот в первичной последовательности белка определяют структуру укладки белка на основе окружающей среды белка (то есть, если он находится внутри клетки, он, вероятно, окружен водой в очень полярной среде. , тогда как если белок встроен в плазматическую мембрану, он будет окружен очень неполярными углеводородными хвостами).

---

Благодаря большому количеству аминокислот, которые могут быть включены в каждую позицию в белке, существуют миллиарды различных возможных комбинаций белков, которые можно использовать для создания новых белковых структур! Например, подумайте о трипептиде, полученном из этого пула аминокислот. В каждой позиции есть 20 различных опций, которые могут быть включены. Таким образом, общее возможное количество образующихся трипептидов будет 20 × 20 × 20 или 20 ³ , что равно 8000 различных вариантов трипептидов! А теперь подумайте, сколько вариантов было бы для небольшого пептида, содержащего 40 аминокислот.Будет 20 ⁴⁰ вариантов или ошеломляющая 1,09 X 10 ⁵² возможных вариантов последовательности! Каждый из этих вариантов будет различаться по общей форме белка, поскольку природа боковых цепей аминокислот помогает определить взаимодействие белка с другими остатками в самом белке и с окружающей его средой.

Характер аминокислот по всему белку помогает белку складываться и формировать его трехмерную структуру. Именно эта трехмерная форма требуется для функциональной активности белка (т. Е. форма белка = функция белка ). Для белков, находящихся в водной среде клетки, гидрофобные аминокислоты часто находятся внутри структуры белка, тогда как водолюбивые гидрофильные аминокислоты будут на поверхности, где они могут связываться водородом и взаимодействовать с молекулами воды. Пролин уникален, потому что он имеет единственную R-группу, которая образует циклическую структуру с аминогруппой в основной цепи. Эта циклизация заставляет пролин принимать конформацию цис , а не конформацию транс внутри остова.Этот сдвиг в структуре часто означает, что пролины представляют собой положения, в которых происходят изгибы или изменения направления внутри белка. Метионин уникален тем, что он служит исходной аминокислотой почти для всех многих тысяч белков, известных в природе. Цистеины содержат тиоловые функциональные группы и, таким образом, могут окисляться другими остатками цистеина с образованием ковалентных дисульфидных связей в структуре белка (рис. 2.14). Дисульфидные мостики добавляют дополнительную стабильность трехмерной структуре и часто требуются для правильного сворачивания и функционирования белка (Рисунок 2.14).

Рисунок 2.14 Дисульфидные связи. Дисульфидные связи образуются между двумя остатками цистеина в пептидной или белковой последовательности или между различными пептидными или белковыми цепями. В приведенном выше примере изображены две пептидные цепи, которые образуют гормон инсулин. Дисульфидные мостики между двумя цепями необходимы для правильного функционирования этого гормона по регулированию уровня глюкозы в крови.

Изображение предоставлено: CNX OpenStax через Wikimedia Commons

---

Форма и функции белка

Первичная структура каждого белка приводит к уникальному паттерну сворачивания, который характерен для этого конкретного белка.Таким образом, первичная последовательность — это линейный порядок аминокислот, поскольку они связаны вместе в белковой цепи (рис. 2.15). В следующем разделе мы обсудим сворачивание белка, которое приводит к образованию вторичных, третичных, а иногда и четвертичных белковых структур.

Рис. 2.15. Первичная структура белка представляет собой линейную последовательность аминокислот.

(кредит: модификация работы Национального исследовательского института генома человека)

наверх

---

2.3 Структура вторичного белка

В предыдущем разделе мы отметили жесткость, создаваемую связью CN в амидной связи, когда аминокислоты соединяются друг с другом, и узнали, что это приводит к тому, что R-группы аминокислот благоприятствуют конфромации транс (за исключением пролина, который поддерживает конформацию цис ). Эта жесткость каркаса белка ограничивает потенциал сворачивания и структуру получаемого белка. Однако связи, прикрепленные к α-углероду, могут свободно вращаться и вносить свой вклад в гибкость и уникальные паттерны сворачивания, наблюдаемые внутри белков.Чтобы оценить возможные модели вращения, которые могут возникнуть вокруг α-углерода, обычно измеряются торсионные углы Phi (Φ) и Psi (ψ). Угол кручения Phi (Φ) измеряет вращение вокруг связи α-углерод-азот, оценивая угол между двумя соседними карбонильными атомами углерода, когда вы смотрите прямо вниз по связи α-углерод-азот в плоскость бумаги (рис. 2.16). ). И наоборот, торсионный угол Psi (ψ) измеряет вращение вокруг связи α-углерод-карбонильный углерод, оценивая угол между двумя соседними атомами азота, когда вы смотрите прямо вниз на связь α-углерод-карбонильный углерод (Рисунок 2.16).

Рисунок 2.16 Торсионные углы Phi (Φ) и Psi (ψ). (A) Торсионный угол Phi (Φ) является мерой вращения вокруг связи между α-углеродом и амидным азотом. Он измеряется как угол между двумя карбонильными атомами углерода, примыкающими к связи, показанный на нижней панели. (B) Торсионный угол Psi (ψ) является мерой вращения вокруг связи между α-углеродом и карбонильным углеродом. Он измеряется как угол между двумя атомами азота, примыкающими к связи, показанный на нижней панели.

---

В то время как связи вокруг α-углерода могут вращаться свободно, предпочтительные торсионные углы ограничены меньшим набором возможностей, поскольку соседние атомы избегают конформаций, которые имеют связанные с ними высокие стерические препятствия. Г. Рамачандран создал компьютерные модели малых пептидов для определения стабильных конформаций торсионных углов Phi (Φ) и Psi (ψ). На основе своих результатов он создал так называемый график Рамачандрана, который графически отображает области перекрытия наиболее благоприятных торсионных углов Phi (Φ) и Psi (ψ) (Рисунок 2.17)

Рисунок 2.17 График Рамачандрана. Благоприятный и очень благоприятный торсионные углы Phi (Φ) и Psi (ψ) обозначены желтым и красным соответственно. Указаны углы связи для общих вторичных белковых структур.

Изображение изменено с: J. Cooper

---

Внутри каждого белка небольшие участки белка могут принимать специфические повторяющиеся паттерны сворачивания. Эти конкретные мотивы или узоры называются вторичной структурой .Двумя наиболее распространенными вторичными структурными особенностями являются альфа-спираль и бета-гофрированный лист (рис. 2.18). Внутри этих структур внутримолекулярные взаимодействия, особенно водородные связи между амином основной цепи и карбонильными функциональными группами, имеют решающее значение для поддержания трехмерной формы.

Рис. 2.18. Вторичные структурные особенности в структуре белка. Правая альфа-спираль и бета-складчатый лист являются общими структурными мотивами, обнаруженными в большинстве белков.Они удерживаются вместе за счет водородной связи между амином и карбонильным кислородом в основной цепи аминокислоты.

Изображение изменено из: The School of Biomedical Sciences Wiki

---

Альфа-спираль

Для альфа-спиральных структур очень распространена правая спираль, тогда как левые спирали очень редки. Это связано с торсионными углами Phi (Φ) и Psi (ψ), необходимыми для получения левой альфа-спиральной структуры.Чтобы получить правильную ориентацию левой спирали, белку придется складываться и скручиваться под множеством неблагоприятных углов. Таким образом, они не очень распространены в природе.

Для правой альфа-спирали каждый виток спирали содержит 3,6 аминокислотных остатка (рис. 2.19). Группы R (вариантные группы) полипептида выступают из α -спиральной цепи. Основная цепь полипептида образует повторяющуюся спиральную структуру, которая стабилизируется водородными связями между кислородом карбонила и водородом амина.Эти водородные связи возникают через равные промежутки между одной водородной связью на каждую четвертую аминокислоту и заставляют основу полипептида образовывать спираль. Каждая аминокислота продвигает спираль вдоль своей оси на 1,5 Å. Каждый виток спирали состоит из 3,6 аминокислот; следовательно, шаг спирали составляет 5,4 Å. На спираль приходится в среднем десять аминокислотных остатков. Различные аминокислоты имеют разную склонность к образованию α -спирали. Аминокислоты, которые предпочитают принимать спиральные конформации в белках, включают метионин, аланин, лейцин, глутамат и лизин.Пролин и глицин почти не склонны к образованию спиралей.

Рис. 2.19. Структура правой альфа-спирали. (A) Модель шара и рукояти, вид сбоку. Всего для образования одного витка спирали α требуется 3,6 аминокислоты. Водородная связь между кислородом карбонила и азотом 4-й аминокислоты стабилизирует спиральную структуру. На показанной структуре черные атомы представляют собой альфа-углерод, серый — карбонильные углероды, красный — кислород, синий — азот, зеленый — R-группы и светло-фиолетовый — атомы водорода.(B) Расширенный вид сбоку, линейная структура и модель заполнения пространства (C) Расширенный вид сверху, линейная структура и модель заполнения пространства

Изображение A изменено с: Максим Изображение B и C взято: Генри Якубовски

---

Ключевые моменты об альфа-спирали:

• Альфа-спираль более компактна, чем полностью вытянутая полипептидная цепь с углами phi / psi 180 ^o
• В белках среднее количество аминокислот в спирали составляет 11, что дает 3 витка.
• Левая альфа-спираль, хотя и разрешенная при осмотре графика Рамачандрана, наблюдается редко, поскольку аминокислоты, используемые для построения структуры белка, являются L-аминокислотами и смещены в сторону образования правой спирали. Когда левосторонние спирали все же образуются, они часто имеют решающее значение для правильного сворачивания белка, стабильности белка или непосредственно участвуют в формировании активного центра.

---

Рисунок 2.20 Левосторонняя структура альфа-спирали. На этой диаграмме левая альфа-спираль, показанная желтым цветом, является частью витка шпильки в структуре белка и стабилизирована двумя дисульфидными мостиками, показанными желтым цветом.

Рисунок из: Annavarapu, S., Nanda, V. (2009) BMC Struct Biol 9, 61

---

• Сердцевина спирали плотно набита. В спирали нет отверстий и пор.
• Все R-группы простираются наружу и от оси спирали. R-группы могут быть гидрофильными или гидрофобными и могут располагаться в определенных положениях на спирали, образуя амфипатические области на белке, или полностью гидрофобные спирали могут также проходить через плазматическую мембрану, как показано на рисунке 2.21

---

Рис. 2.21. Расположение R-групп в альфа-спиральных структурах. R-группы могут быть расположены внутри альфа-спирали для создания амфипатических областей внутри белка, где гидрофильные остатки расположены с одной стороны спирали, а гидрофобные — с другой, как показано на виде сбоку (A) или сверху вниз ( ДО НАШЕЙ ЭРЫ).R-группы также могут быть полностью гидрофобными в альфа-спиралях, охватывающих плазматическую мембрану, как показано на (D).

Рисунок изменен по: Khara, J.S., et al. (2017) Acta Biomat 57: 103-114 и Ryu, H., et al. (2019) Int J Mol Sci 20 (6) 1437

---

• Некоторые аминокислоты чаще встречаются в альфа-спиралях, чем другие. Вот аминокислоты, которые обычно НЕ обнаруживаются в альфа-спиральных структурах: Gly слишком мал и конформационно гибок, чтобы его можно было найти с высокой частотой в альфа-спиралях, тогда как Pro слишком жесткий и в cis -конформация. Pro часто нарушает спиральную структуру, вызывая изгибы белка. Некоторые аминокислоты с боковыми цепями, которые могут связывать Н-связь ( Ser, Asp, и Asn ) и не слишком длинные, по-видимому, действуют как конкуренты донора и акцептора Н-связи основной цепи и дестабилизируют альфа спирали. R-группы с ранним ветвлением, такие как Val и Ile, дестабилизируют альфа-спираль из-за стерических взаимодействий объемных боковых цепей с основной цепью спирали.
• Сводная информация о склонностях аминокислот к альфа-спиралям (а также к бета-структуре)
• Альфа-кератины, основной компонент волос, кожи, меха, клювов и ногтей, почти полностью представляют собой альфа-спираль.

Jmol: Обновлено Изолированная спираль из антифриза белка Jmol14 (Java) | JSMol (HTML5)

Бета-гофрированный лист:

В β-складчатом листе «складки» образованы водородными связями между атомами в основной цепи полипептидной цепи.Группы R присоединены к атомам углерода и простираются выше и ниже складок складки в конформации trans . Складчатые сегменты выстраиваются параллельно или антипараллельно друг другу, а водородные связи образуются между частично положительным атомом азота в аминогруппе и частично отрицательным атомом кислорода в карбонильной группе остова пептида (рис. 2.21).

Рисунок 2.21 Структура листа с бета-гофрировкой. β-гофрированный лист может быть ориентирован в параллельной или антипараллельной ориентации, как показано на (A) выше, с β-гофрированным листом, представленным красными стрелками в виде ленты.Направление стрелки указывает ориентацию белка, при этом стрелка проходит в направлении от N к C. Водородная связь между карбонилом основной цепи и функциональными аминогруппами основной цепи стабилизировала как антипараллельные (B слева), так и параллельные (B справа) β-складчатые листовые структуры.

Изображение (A) с: Xenoblast Изображение (B) с: Fvasconcellos

---

Другие мотивы вторичной структуры:

Другие важные вторичные структуры включают витков, петель, шпильки и гибкие линкеры .Существует множество различных классификаций витков в структуре белка, включая α-витков, β-витков, γ-витков, δ-витков и π-витков . β-витки (наиболее распространенная форма) обычно содержат четыре аминокислотных остатка (рис. 2.22). Пролин и глицин обычно встречаются в поворотных мотивах, поскольку цис-конформация пролина способствует более резким конформационным изгибам, в то время как минимальная боковая цепь глицина позволяет более плотно упаковывать аминокислоты, чтобы способствовать структуре поворота.

Рис. 2.22. Схема β-витков типа I и II.

Фотография из: Muskid

---

ω-петля — это универсальный термин для более длинной, протяженной или неправильной петли без фиксированной внутренней водородной связи. Шпилька , , , — это особый случай поворота, при котором направление основной цепи белка меняется на противоположное и фланкирующие элементы вторичной структуры взаимодействуют. Например, шпилька beta соединяет две антипараллельные β-нити с водородными связями.Иногда повороты обнаруживаются внутри гибких линкеров или петель, соединяющих белковые домены. Линкерные последовательности различаются по длине и обычно богаты полярными незаряженными аминокислотами. Гибкие линкеры позволяют соединительным доменам свободно скручиваться и вращаться, чтобы рекрутировать своих партнеров по связыванию через динамику белковых доменов.

наверх

---

2.4 Супервторичная структура и белковые мотивы

Между вторичной структурой и третичной структурой белков находятся более крупные трехмерные особенности, которые были идентифицированы во множестве различных белковых структур.Они известны как супервторичная структура и как белок мотивов . Супервторичная структура обычно состоит из двух вторичных структур, связанных между собой витком, и включает спираль-поворот-спираль, спираль-петля-спираль, α-α-углы, β-β-углы и β-шпилька-β (рис. 2.23).

Рисунок 2.23 Примеры сверхвторичных структур. (A) β-шпилька-β-структуры характеризуются резким поворотом шпильки, который не нарушает водородные связи двух β-складчатых листовых структур.(B) Предполагаемая структура спирали-поворот-спираль белка Taspase1, (C) угловая структура α-α, присутствующая в белке Myoglobin.

Изображение A предоставлено: Isabella Daidone Изображение B: Johannes van den Boom, et al. (2016) PLosONE 11 (3): e0151431

Изображение C изменено с: Belles14104

---

Белковые мотивы представляют собой более сложные структуры, созданные из вторичных и сверхвторичных структурных компонентов, повторяющихся модальностей, визуализируемых во многих белковых структурах.

Бета-нити имеют тенденцию закручиваться в правильном направлении, чтобы минимизировать конформационную энергию. Это приводит к образованию интересных структурных мотивов, обнаруженных во многих типах белков. Две из этих структур включают скрученные листы или опоры, а также бета-стволы (рис. 2.24)

Рис. 2.24. Общие структурные мотивы бета-нити. (A) Скрученный лист для правой руки, вид сверху и сбоку, (B) Вид сбоку бета-ствола и (C) Вид сверху бета-ствола

Автор изображения: Генри Якубовски

---

Структурные мотивы могут выполнять определенные функции в белках, такие как обеспечение связывания субстратов или кофакторов.Например, складка Россмана отвечает за связывание с кофакторами нуклеотидов, такими как никотинамидадениндинуклеотид (NAD ⁺ ) (рис. 2.25). Складка Россмана состоит из шести параллельных бета-нитей, которые образуют протяженный бета-лист. Первые три нити соединены α-спиралями, в результате чего получается структура бета-альфа-бета-альфа-бета. Этот образец дублируется один раз, чтобы получить перевернутый тандемный повтор, содержащий шесть нитей. В целом жилы расположены в порядке 321456 (1 = N-концевой, 6 = C-концевой).Пять многонитевых складок, подобных Россманну, расположены в порядке 32145. ^{Общая третичная структура складки напоминает трехслойный сэндвич, в котором начинка состоит из удлиненного бета-листа, а два ломтика хлеба образованы соединяющимися параллельными альфами. спирали.}

Рис. 2.25. Складка Россмана. (A) Структура никотинамидадениндинуклеотида (NAD ⁺ ) (B) Диаграмма складки Россмана (спирали A-F красные и нити 1-6 желтые) из E.coli фермент малатдегидрогеназа. Показано, что кофактор NAD ⁺ связывается как молекула, заполняющая пространство. (C) Схематическая диаграмма шестицепочечной складки Россмана.

Изображение изменено с: Boghog

---

Одной из особенностей складки Россмана является ее специфичность связывания кофакторов. Наиболее консервативный сегмент складок Россмана — это первый бета-альфа-бета сегмент. Поскольку этот сегмент находится в контакте с ADP-частью динуклеотидов, таких как FAD, NAD и NADP, его также называют «ADP-связывающей бета-бета складкой».

Интересно, что подобные структурные мотивы не всегда имеют общего эволюционного предка и могут возникнуть в результате конвергентной эволюции. Так обстоит дело с TIM Barrel, консервативной белковой складкой, состоящей из восьми α-спиралей и восьми параллельных β-цепей, которые чередуются вдоль пептидного остова. Структура названа в честь триозофосфатизомеразы, консервативного метаболического фермента. Бочки TIM — одна из самых распространенных белковых складок. Одна из самых интригующих особенностей представителей этого класса белков заключается в том, что хотя все они демонстрируют одну и ту же третичную складку, между ними очень мало сходства последовательностей.По крайней мере, 15 различных семейств ферментов используют этот каркас для создания соответствующей геометрии активного сайта, всегда на С-конце восьми параллельных бета-цепей цилиндра.

Рисунок 2.26 Ствол TIM. Бочки TIM считаются α / β-складками белка, потому что они включают в себя чередующийся паттерн α-спиралей и β-цепей в одном домене. В цилиндре TIM спирали и нити (обычно по 8 штук) образуют соленоид, который изгибается вокруг себя и замыкается в форме пончика, топологически известной как тороид.Параллельные β-нити образуют внутреннюю стенку бублика (следовательно, β-бочонок), тогда как α-спирали образуют внешнюю стенку бублика. Каждая β-нить соединяется со следующей соседней нитью в цилиндре через длинную правую петлю, которая включает одну из спиралей, так что раскрашивание ленты N-C на виде сверху (A) происходит в радужном порядке вокруг бочка. Ствол TIM можно также рассматривать как состоящий из 8 перекрывающихся правосторонних супервторичных структур β-α-β, как показано на виде сбоку (B).

Изображение изменено с: WillowW

---

Хотя ленточная диаграмма TIM Barrel показывает отверстие в центральном ядре белка, боковые цепи аминокислот на этом изображении не показаны (рис. 2.26). Ядро белка на самом деле плотно упаковано, в основном с объемными гидрофобными аминокислотными остатками, хотя необходимо несколько глицинов, чтобы дать пространство для маневра для сильно ограниченного центра из 8 приблизительных повторов, чтобы соответствовать друг другу. В упаковочных взаимодействиях между цепями и спиралями также преобладает гидрофобность, и разветвленные алифатические остатки валина, лейцина и изолейцина составляют около 40% от общего количества остатков в β-цепях.

По мере того, как наши знания о бесчисленном множестве структурных мотивов, обнаруженных в сокровищнице природы белковых структур, продолжают расти, мы продолжаем понимать, как структура белка связана с функцией, и мы можем лучше охарактеризовать вновь приобретенные последовательности белка с помощью in silico технологии.

наверх

---

2,5 Структура третичного и четвертичного белка

Полная трехмерная форма всего белка (или сумма всех вторичных структурных мотивов) известна как третичная структура белка и является уникальной и определяющей особенностью этого белка (Рисунок 2.27). Прежде всего, взаимодействия между группами R создают сложную трехмерную третичную структуру белка. Природа групп R, обнаруженных в задействованных аминокислотах, может противодействовать образованию водородных связей, описанных для стандартных вторичных структур, таких как альфа-спираль. Например, группы R с одинаковыми зарядами отталкиваются друг от друга, а группы с разными зарядами притягиваются друг к другу (ионные связи). Незаряженные неполярные боковые цепи могут образовывать гидрофобные взаимодействия.Взаимодействие между боковыми цепями цистеина может приводить к образованию дисульфидных связей.

Рисунок 2.27. Структура третичного белка. Третичная структура белков определяется множеством химических взаимодействий. К ним относятся гидрофобные взаимодействия, ионные связи, водородные связи и дисульфидные связи.

Изображение предоставлено: School of Biomedical Sciences Wiki

---

Все эти взаимодействия, сильные и слабые, определяют окончательную трехмерную форму белка.Когда белок теряет свою трехмерную форму, он обычно больше не функционирует.

В природе некоторые белки образованы из нескольких полипептидов, также известных как субъединицы, и взаимодействие этих субъединиц образует четвертичную структуру . Слабые взаимодействия между субъединицами помогают стабилизировать общую структуру. Например, инсулин (глобулярный белок) имеет комбинацию водородных и дисульфидных связей, из-за которых он в основном собирается в шар.Инсулин начинается как единый полипептид и теряет некоторые внутренние последовательности во время клеточного процессинга, которые образуют две цепи, удерживаемые вместе дисульфидными связями, как показано на рисунке 2.14. Затем три из этих структур группируются, образуя неактивный гексамер (рис. 2.28). Гексамерная форма инсулина — это способ для организма хранить инсулин в стабильной и неактивной конформации, чтобы он был доступен для высвобождения и реактивации в мономерной форме.

Рисунок 2.28 Гормон инсулина — хороший пример четвертичной структуры. Инсулин вырабатывается и хранится в организме в виде гексамера (единицы из шести молекул инсулина), а активной формой является мономер. Гексамер представляет собой неактивную форму с долговременной стабильностью, которая служит средством защиты высокореактивного инсулина, но при этом легкодоступна.

Рисунок: Исаак Йонемото

---

Прогнозирование паттерна сворачивания белка на основе его первичной последовательности — чрезвычайно сложная задача из-за присущей аминокислотным остаткам гибкости, которые можно использовать для образования различных вторичных признаков.Как описано Fujiwara и др., Классификация SCOP (структурная классификация белков) и SCOPe (расширенная версия) являются основными базами данных, предоставляющими подробные и всесторонние описания всех известных структур белков. Классификация SCOP основана на иерархических уровнях: первые два уровня, семейство и суперсемейство , описывают близкие и дальние эволюционные отношения, тогда как третий, крат , описывает геометрические отношения и структурные мотивы внутри белка.В рамках схемы складчатой ​​классификации большинство белков отнесено к одному из четырех структурных классов: (1) все α-спирали, (2) все β-листы, (3) α / β для белков с дисперсными структурами и (4) α + β для белков с участками, в которых преобладает тот или иной тип паттерна.

На основании их формы, функции и местоположения белки в широком смысле могут быть охарактеризованы как волокнистые, глобулярные, мембранные или неупорядоченные.

Волокнистые белки

Волокнистые белки характеризуются удлиненной структурой белка.Эти типы белков часто объединяются в филаменты или пучки, образуя структурные каркасы в биологических системах. У животных два наиболее распространенных семейства волокнистых белков — это α-кератин и коллаген.

α-кератин

α-кератин — ключевой структурный элемент, из которого состоят волосы, ногти, рога, когти, копыта и внешний слой кожи. Благодаря своей плотно намотанной структуре, он может функционировать как один из самых прочных биологических материалов и находить различные применения у млекопитающих, от хищных когтей до волос для тепла.α-кератин синтезируется путем биосинтеза белка с использованием транскрипции и трансляции, но когда клетка созревает и наполняется α-кератином, она умирает, создавая прочную несосудистую единицу ороговевшей ткани.

Первые последовательности α-кератинов были определены Ханукоглу и Фуксом. Эти последовательности показали, что существует два различных, но гомологичных семейства кератинов, которые были названы кератином типа I и кератином типа II. У человека 54 гена кератина, 28 из которых кодируют тип I, а 26 — тип II. ^{Белки типа I являются кислыми, что означает, что они содержат больше кислых аминокислот, таких как аспарагиновая кислота, в то время как белки типа II являются основными, что означает, что они содержат больше основных аминокислот, таких как лизин. Эта дифференциация особенно важна для α-кератинов, потому что при синтезе его субъединицы димера, спиральной спирали , одна белковая спираль должна относиться к типу I, а другая — к типу II (рис. 2.29). Даже в пределах типа I и II есть кислые и основные кератины, которые особенно дополняют друг друга в каждом организме.Например, в коже человека K5, α-кератин типа II, соединяется в основном с K14, α-кератином I типа, с образованием комплекса α-кератина клеточного слоя эпидермиса.}

Димеры Coiled-coil затем собираются в протофиламенты, очень стабильный левосторонний сверхспиральный мотив, который далее мультимеризуется, образуя филаменты, состоящие из множества копий мономеров кератина (рис. 2.29). Основная сила, которая удерживает структуры coiled-coil, связанные друг с другом, — это гидрофобные взаимодействия между аполярными остатками вдоль спиральных сегментов кератина.

Рисунок 2.29. Формирование промежуточной нити. Промежуточные филаменты состоят из супспирального комплекса α-кератина. Первоначально два мономера кератина (A) образуют структуру димера спиральной спирали (B) Два димера спиральной спирали соединяются, образуя шахматный тетрамер (C), тетрамеры начинают соединяться вместе (D), в конечном итоге формируя лист из восьми тетрамеров (E ). Затем лист из восьми тетрамеров скручивают в левую спираль, образуя конечную промежуточную нить (E). Электронная микрофотография промежуточной нити показана в верхнем левом углу.

Автор изображения: Правительство США

---

Коллаген

Волокнистый белок Коллаген является наиболее распространенным белком у млекопитающих, составляя от 25% до 35% всего белка в организме. Он находится преимущественно во внеклеточном пространстве в различных соединительных тканях организма. Коллаген содержит уникальную четвертичную структуру из трех белковых цепей, соединенных вместе, образуя тройную спираль.В основном он находится в фиброзных тканях, таких как сухожилия, связки и кожа.

В зависимости от степени минерализации коллагеновые ткани могут быть жесткими (кость), податливыми (сухожилия) или иметь градиент от жесткого к податливому (хрящ). Его также много в роговице, кровеносных сосудах, кишечнике, межпозвонковых дисках и дентине зубов. В мышечной ткани он служит основным компонентом эндомизия. Коллаген составляет от одного до двух процентов мышечной ткани и составляет 6% веса сильных сухожильных мышц.Фибробласт — наиболее обычная клетка, вырабатывающая коллаген. Желатин, который используется в пище и промышленности, представляет собой необратимо гидролизованный коллаген. Кроме того, в качестве пищевых добавок используются порошки частично или полностью гидролизованного коллагена. Коллаген имеет множество медицинских применений при лечении заболеваний костей и кожи.

Название коллаген происходит от греческого ( kólla ), что означает «клей», и суффикса -gen , что означает «производство». ^{Это относится к раннему использованию соединения в процессе кипячения кожи и сухожилий лошадей и других животных для получения клея.}

Более 90% коллагена в организме человека относится к типу I. Однако по состоянию на 2011 год было идентифицировано, описано и разделено на несколько групп в соответствии с формируемой ими структурой 28 типов коллагена. Пять наиболее распространенных типов:

• Тип I: кожа, сухожилие, сосудистая сеть, органы, кость (основной компонент органической части кости)
• Тип II: хрящ (основной коллагеновый компонент хряща)
• Тип III: сетчатый (основной компонент ретикулярных волокон), обычно встречается вместе с типом I
• Тип IV: образует базальную пластинку, секретируемый эпителием слой базальной мембраны
• Тип V: поверхности клеток, волосы и плацента

Здесь мы сосредоточимся на уникальных свойствах коллагена типа I.Коллаген I типа имеет необычный аминокислотный состав и последовательность:

.

• Глицин присутствует почти в каждом третьем остатке.
• Пролин составляет около 17% коллагена.

Коллаген

• содержит две необычные производные аминокислоты, не вставленные непосредственно во время трансляции. Эти аминокислоты находятся в определенных местах относительно глицина и посттрансляционно модифицируются различными ферментами, оба из которых требуют витамина С в качестве кофактора (рис. 2.30).
  • Гидроксипролин, производный от пролина
  • Гидроксилизин, полученный из лизина — в зависимости от типа коллагена различное количество гидроксилизинов гликозилировано (в основном с присоединенными дисахаридами).

Рисунок 2.30. Гидроксилирование пролина и лизина во время посттрансляционной модификации коллагена типа I. Ферменты пролилгидроксилаза и лизилгидроксилаза необходимы для гидроксилирования остатков пролина (A) и лизина (B) соответственно. (Примечание: хотя положение 3 показано выше, пролиловые остатки альтернативно могут быть гидроксилированы в положении 4). Ферменты гидроксилазы модифицируют аминокислотные остатки после того, как они были включены в белок в качестве посттрансляционной модификации, и требуют витамина С (аскорбата) в качестве кофактора.(C) Дальнейшая модификация остатков гидроксилизина путем гликозилирования может привести к включению дисахарида (галактоза-глюкоза) в гидрокси-кислород.

---

Большинство коллагена образуется аналогичным образом. Процесс синтеза коллагена типа I описан ниже и демонстрирует сложность сворачивания и обработки белка (рис. 2.31).

1. Внутри ячейки
   1. Два типа альфа-цепей образуются во время трансляции на рибосомах вдоль шероховатого эндоплазматического ретикулума (RER): альфа-1 и альфа-2 цепи.Эти пептидные цепи (известные как препроколлаген) имеют регистрирующие пептиды на каждом конце и сигнальный пептид.
   2. Полипептидные цепи высвобождаются в просвет RER.
   3. Сигнальные пептиды расщепляются внутри RER, и теперь эти цепи известны как про-альфа-цепи.
   4. Внутри просвета происходит гидроксилирование аминокислот лизина и пролина. Этот процесс зависит от кофактора аскорбиновой кислоты (витамина С).
   5. Происходит гликозилирование определенных остатков гидроксилизина.
   6. Тройная альфа-спиральная структура образована внутри эндоплазматического ретикулума из двух цепей альфа-1 и одной цепи альфа-2.
   7. Проколлаген отправляется в аппарат Гольджи, где он упаковывается и секретируется путем экзоцитоза.
2. Вне камеры
   1. Регистрационные пептиды расщепляются, а тропоколлаген образуется проколлагеновой пептидазой.
   2. Множественные молекулы тропоколлагена образуют фибриллы коллагена посредством ковалентного сшивания (альдольная реакция) лизилоксидазой, которая связывает остатки гидроксилизина и лизина.Множественные коллагеновые фибриллы образуют коллагеновые волокна.
   3. Коллаген может быть прикреплен к клеточным мембранам через несколько типов белков, включая фибронектин, ламинин, фибулин и интегрин.

Рисунок 2.31. Синтез коллагена типа I. Полипептидные цепи синтезируются в эндоплазматическом ретикулуме и высвобождаются в просвет, где они гидроксилируются и гликозилируются. Тройная спираль проколлагена формируется и транспортируется через аппарат Гольджи, где подвергается дальнейшей обработке.Проколлаген секретируется во внеклеточный матрикс, где расщепляется на тропоколлаген. Тропоколлаген собирается в коллагеновые фибриллы, где происходит сшивание и водородные связи с образованием конечного коллагенового волокна.

Изображение изменено: E.V. Вонг и Британская энциклопедия

---

Дефицит витамина С вызывает цингу, серьезное и болезненное заболевание, при котором дефектный коллаген препятствует образованию прочной соединительной ткани. Десны портятся и кровоточат, с потерей зубов; кожа меняет цвет, а раны не заживают.До 18 века это состояние было печально известно среди длительных военных, особенно военно-морских, экспедиций, во время которых участников лишали продуктов, содержащих витамин С.

Аутоиммунное заболевание, такое как красная волчанка или ревматоидный артрит, может поражать здоровые коллагеновые волокна. Кортизол стимулирует расщепление коллагена до аминокислот, предполагая, что стресс может усугубить эти болезненные состояния.

Многие бактерии и вирусы выделяют факторы вирулентности, такие как фермент коллагеназа, который разрушает коллаген или препятствует его производству.

наверх

---

Глобулярные белки

Глобулярные белки или сферопротеины представляют собой сферические («шарообразные») белки и являются одним из распространенных типов белков. Глобулярные белки в некоторой степени растворимы в воде (образуют коллоиды в воде), в отличие от волокнистых или мембранных белков. Существует несколько классов складок глобулярных белков, поскольку существует множество различных архитектур, которые могут складываться в примерно сферическую форму.

Термин глобин может более конкретно относиться к белкам, включая глобиновую складку. Глобиновая складка представляет собой обычную трехмерную складку в белках и определяет суперсемейство глобиноподобных белков (рис. 2.32). Эта складка обычно состоит из восьми альфа-спиралей, хотя некоторые белки имеют дополнительные продолжения спиралей на концах. Глобиновая складка встречается в одноименных семействах глобиновых белков: гемоглобинах и миоглобинах, а также в фикоцианинах.Поскольку миоглобин был первым белком, структура которого была решена, глобиновая складка была, таким образом, первой обнаруженной белковой складкой. Поскольку глобиновая складка содержит только спирали, она классифицируется как полностью альфа-белковая складка.

Рисунок 2.32 Глобиновая складка. (A) Пример глобиновой складки, переносящего кислород белка миоглобина (PBD ID 1MBA) из моллюска Aplysia limacina. (B) Структура тетрамерного белка гемоглобина, содержащего в общей сложности четыре глобиновых складки.

Изображение A: Википедия Изображение B: Zephyris

---

Термин глобулярный белок довольно старый (датируется, вероятно, 19 веком) и сейчас несколько архаичен, учитывая сотни тысяч белков и более элегантный и описательный словарь структурных мотивов. Сферическая структура индуцируется третичной структурой белка. Неполярные (гидрофобные) аминокислоты молекулы связаны внутри молекулы, тогда как полярные (гидрофильные) аминокислоты связаны снаружи, что позволяет диполь-дипольным взаимодействиям с растворителем, что объясняет растворимость молекулы.

В отличие от волокнистых белков, которые выполняют преобладающую структурную функцию, глобулярные белки могут действовать как:

• Ферменты, катализируя органические реакции, происходящие в организме в мягких условиях и с высокой специфичностью. Эту роль выполняют разные эстеразы.
• Посланники, передающие сообщения для регулирования биологических процессов. Эту функцию выполняют гормоны, например, инсулин и т. Д.
• Транспортеры других молекул через мембраны
• Запасы аминокислот.
• Регуляторные роли также выполняются глобулярными белками, а не волокнистыми белками.
• Структурные белки, например, актин и тубулин, глобулярные и растворимые как мономеры, но полимеризуемые с образованием длинных жестких волокон

Многие из белков, которые будут подробно описаны в следующих главах, относятся к этому классу белков.

Мембранные белки

Мембранные белки — это белки, которые являются частью биологических мембран или взаимодействуют с ними.Они включают: 1) интегральные мембранные белки, которые являются частью мембраны или постоянно прикреплены к ней, и 2) периферические мембранные белки, которые временно прикрепляются к мембране через интегральные белки или липидный бислой. ^{Интегральные мембранные белки далее классифицируются как трансмембранные белки, которые проходят через мембрану, или интегральные монотопные белки, которые прикрепляются только к одной стороне мембраны.}

Мембранные белки, такие как растворимые глобулярные белки, волокнистые белки и неупорядоченные белки, являются обычными. ^{Обладая символической важностью в медицине, мембранные белки являются мишенью для более 50% всех современных лекарственных препаратов. Подсчитано, что 20–30% всех генов в большинстве геномов кодируют мембранные белки. По сравнению с другими классами белков, определение структур мембранных белков остается проблемой в значительной степени из-за сложности создания экспериментальных условий, которые могут сохранить правильную конформацию белка в изоляции от его естественной среды (рис. 2.33).}

Мембранные белки выполняют множество функций, жизненно важных для выживания организмов:

• Белки мембранных рецепторов передают сигналы между внутренней и внешней средой клетки.
• Транспортные белки перемещают молекулы и ионы через мембрану. Их можно разделить на категории в соответствии с базой данных классификации транспортеров.
• Мембранные ферменты могут обладать многими видами активности, такими как оксидоредуктаза, трансфераза или гидролаза.
• Молекулы клеточной адгезии позволяют клеткам идентифицировать друг друга и взаимодействовать.Например, белки, участвующие в иммунном ответе.

Рис. 2.33. Схематическое изображение трансмембранных белков. 1. одиночная трансмембранная α-спираль (битопический мембранный белок) 2. политопный трансмембранный α-спиральный белок 3. политопный трансмембранный β-листовой белок. Мембрана представлена ​​светло-коричневым цветом.

Интегральные мембранные белки постоянно прикреплены к мембране. Такие белки можно отделить от биологических мембран только с помощью детергентов, неполярных растворителей или иногда денатурирующих агентов.Их можно классифицировать в зависимости от их отношения к бислою:

• Интегральные политопные белки — это трансмембранные белки, которые проходят через мембрану более одного раза. Эти белки могут иметь различную трансмембранную топологию. Эти белки имеют одну из двух структурных архитектур:
  • белки спирального пучка, которые присутствуют во всех типах биологических мембран;
  • бета-стволовых белков, которые обнаруживаются только во внешних мембранах грамотрицательных бактерий и внешних мембранах митохондрий и хлоропластов.
• Битопические белки — это трансмембранные белки, которые проходят через мембрану только один раз. Трансмембранные спирали из этих белков имеют значительно отличающиеся распределения аминокислот от трансмембранных спиралей политопных белков.
• Интегральные монотопные белки представляют собой интегральные мембранные белки, которые прикреплены только к одной стороне мембраны и не охватывают весь путь.

Рисунок 2.34 Схематическое изображение различных типов взаимодействия между монотопными мембранными белками и клеточной мембраной. 1. взаимодействие амфипатической α-спирали, параллельной плоскости мембраны (плоская спираль мембраны) 2. взаимодействие гидрофобной петлей 3. взаимодействие ковалентно связанного липида мембраны ( липидирование ) 4. электростатические или ионные взаимодействия с мембранные липиды.

Автор изображения: : Foobar

---

Белки периферической мембраны временно прикрепляются либо к липидному бислою, либо к интегральным белкам за счет комбинации гидрофобных, электростатических и других нековалентных взаимодействий.Периферические белки диссоциируют после обработки полярным реагентом, например раствором с повышенным pH или высокой концентрацией соли.

Интегральные и периферические белки могут быть посттрансляционно модифицированы с добавлением жирных кислот, диацилглицериновых или пренильных цепей или GPI (гликозилфосфатидилинозитол), которые могут быть закреплены в липидном бислое.

Неупорядоченные белки

Внутренне неупорядоченный белок ( IDP ) — это белок, не имеющий фиксированной или упорядоченной трехмерной структуры (Рисунок 2.35). IDP охватывают спектр состояний от полностью неструктурированного до частично структурированного и включают случайные клубки, (предварительно) расплавленные глобулы и большие многодоменные белки, соединенные гибкими линкерами. Они составляют один из основных типов белков (наряду с глобулярными, волокнистыми и мембранными белками).

Рис. 2.35. Конформационная гибкость в белке SUMO-1 (PDB: 1a5r). Центральная часть показывает относительно упорядоченную структуру. Напротив, N- и C-концевые области (левая и правая соответственно) демонстрируют «внутреннее нарушение», хотя короткая спиральная область сохраняется в N-концевом хвосте.Были преобразованы десять альтернативных моделей ЯМР. Элементы вторичной структуры: α-спирали (красные), β-тяжи (синие стрелки).

Автор изображения: Лукаш Козловский

---

Открытие IDP бросило вызов традиционной парадигме структуры белка, согласно которой функция белка зависит от фиксированной трехмерной структуры. Эта догма была поставлена ​​под сомнение в течение последних двадцати лет, поскольку все больше данных из различных областей структурной биологии предполагают, что динамика белков может иметь большое значение для таких систем.Несмотря на отсутствие стабильной структуры, IDP представляют собой очень большой и функционально важный класс белков. В некоторых случаях IDP могут принимать фиксированную трехмерную структуру после связывания с другими макромолекулами. В целом, IDP во многом отличаются от структурированных белков и, как правило, обладают различными свойствами с точки зрения функции, структуры, последовательности, взаимодействий, эволюции и регуляции.

В 1930-1950 годах первые структуры белка были решены с помощью кристаллографии белков.Эти ранние структуры предполагали, что фиксированная трехмерная структура может обычно требоваться для обеспечения биологических функций белков. Утверждая, что белки имеют только одну однозначно определенную конфигурацию, Мирски и Полинг не признали, что работа Фишера поддержала бы их тезис с его моделью «Замок и ключ» (1894). Эти публикации закрепили центральную догму молекулярной биологии в том, что последовательность определяет структуру, которая, в свою очередь, определяет функцию белков.В 1950 году Каруш написал о «конфигурационной адаптивности», что противоречит всем предположениям и исследованиям XIX века. Он был убежден, что белки имеют более одной конфигурации на одном уровне энергии и могут выбирать одну при связывании с другими субстратами. В 1960-х годах парадокс Левинталя предположил, что систематический конформационный поиск длинного полипептида вряд ли приведет к единственной свернутой структуре белка в биологически релевантных временных масштабах (то есть от секунд до минут). Любопытно, что для многих (небольших) белков или белковых доменов можно наблюдать относительно быструю и эффективную рефолдинг in vitro .Как указано в «Догме Анфинсена» 1973 года, фиксированная трехмерная структура этих белков уникально кодируется в их первичной структуре (аминокислотной последовательности), является кинетически доступной и стабильной в ряде (близких) физиологических условий и, следовательно, может рассматриваться как нативное состояние таких «упорядоченных» белков.

В последующие десятилетия, однако, многие крупные белковые области не могли быть отнесены к рентгеновским наборам данных, что указывает на то, что они занимают несколько позиций, которые усредняются на картах электронной плотности.Отсутствие фиксированных уникальных положений относительно кристаллической решетки предполагало, что эти области были «неупорядоченными». Спектроскопия ядерного магнитного резонанса белков также продемонстрировала наличие больших гибких линкеров и концов во многих решенных структурных ансамблях. Сейчас общепринято, что белки существуют как ансамбль подобных структур с некоторыми областями более ограниченными, чем другие. Внутренне неструктурированные белки (IUP) занимают крайний конец этого спектра гибкости, тогда как IDP также включают белки со значительной тенденцией к локальной структуре или гибкие многодоменные сборки.Эти высокодинамичные неупорядоченные области белков впоследствии были связаны с функционально важными явлениями, такими как аллостерическая регуляция и ферментный катализ.

Многие неупорядоченные белки обладают аффинностью связывания со своими рецепторами, регулируемыми посттрансляционной модификацией, поэтому было высказано предположение, что гибкость неупорядоченных белков облегчает различные конформационные требования для связывания модифицирующих ферментов, а также их рецепторов. Внутреннее нарушение особенно обогащено белками, участвующими в передаче клеточных сигналов, транскрипции и ремоделировании хроматина.

Гибкие линкеры

Неупорядоченные области часто встречаются в виде гибких линкеров или петель, соединяющих домены. Линкерные последовательности сильно различаются по длине, но обычно богаты полярными незаряженными аминокислотами. Гибкие линкеры позволяют соединяющим доменам свободно скручиваться и вращаться, чтобы рекрутировать своих связывающих партнеров через динамику белковых доменов. Они также позволяют своим партнерам по связыванию вызывать более крупномасштабные конформационные изменения с помощью аллостерии на большие расстояния.

Линейные мотивы

Линейные мотивы — это короткие неупорядоченные сегменты белков, которые опосредуют функциональные взаимодействия с другими белками или другими биомолекулами (РНК, ДНК, сахарами и т. Д.).). Многие роли линейных мотивов связаны с клеточной регуляцией, например, с контролем формы клеток, субклеточной локализацией отдельных белков и регулируемым обменом белков. Часто посттрансляционные модификации, такие как фосфорилирование, настраивают сродство (не редко на несколько порядков величины) отдельных линейных мотивов к специфическим взаимодействиям. В отличие от глобулярных белков IDP не имеют пространственно расположенных активных карманов. Тем не менее, в 80% IDP (~ 3 дюжины), подвергнутых детальной структурной характеристике с помощью ЯМР, присутствуют линейные мотивы, названные PreSMos (предварительно структурированные мотивы), которые являются временными вторичными структурными элементами, примированными для распознавания цели.В нескольких случаях было продемонстрировано, что эти временные структуры становятся полными и стабильными вторичными структурами, например спиралями, после связывания мишени. Следовательно, PreSMos являются предполагаемыми активными сайтами IDP.

Фальцовка и переплет вместе

Многие неструктурированные белки претерпевают переходы в более упорядоченные состояния при связывании со своими мишенями. Спаренная укладка и связывание могут быть локальными, с участием только нескольких взаимодействующих остатков, или с участием всего белкового домена.Недавно было показано, что спаренная укладка и связывание позволяют захоронить большую площадь поверхности, что было бы возможно только для полностью структурированных белков, если бы они были намного больше. Более того, определенные неупорядоченные области могут служить «молекулярными переключателями» в регуляции определенных биологических функций, переключаясь на упорядоченную конформацию при молекулярном распознавании, например, при связывании малых молекул, связывании ДНК / РНК, ионных взаимодействиях.

Нарушение связанного состояния (нечеткие комплексы)

Внутренне неупорядоченные белки могут сохранять свою конформационную свободу, даже если они специфически связываются с другими белками.Структурный беспорядок в связанном состоянии может быть статическим или динамическим. В нечетких комплексах структурная множественность необходима для функционирования, а манипуляции с связанной неупорядоченной областью изменяют активность. Конформационный ансамбль комплекса модулируется посредством посттрансляционных модификаций или белковых взаимодействий. Специфичность ДНК-связывающих белков часто зависит от длины нечетких областей, которая варьируется путем альтернативного сплайсинга. Внутренне неупорядоченные белки адаптируют множество различных структур in vivo в соответствии с условиями клетки, создавая структурный или конформационный ансамбль.

Следовательно, их структуры сильно связаны с функциями. Однако только несколько белков полностью неупорядочены в своем естественном состоянии. Нарушение в основном обнаруживается в внутренне неупорядоченных областях (IDR) внутри хорошо структурированного белка. Термин «внутренне неупорядоченный белок» (IDP), следовательно, включает белки, которые содержат IDR, а также полностью неупорядоченные белки.

Наличие и вид белкового нарушения кодируется его аминокислотной последовательностью.В целом, IDP характеризуются низким содержанием объемных гидрофобных аминокислот и высокой долей полярных и заряженных аминокислот, обычно называемой низкой гидрофобностью. Это свойство приводит к хорошему взаимодействию с водой. Кроме того, высокие чистые заряды способствуют беспорядку из-за электростатического отталкивания, возникающего из-за одинаково заряженных остатков. ^{Таким образом, неупорядоченные последовательности не могут в достаточной степени скрыть гидрофобное ядро, чтобы сложиться в стабильные глобулярные белки. В некоторых случаях гидрофобные кластеры в неупорядоченных последовательностях дают ключи для идентификации областей, которые подвергаются сопряженной укладке и связыванию (см. Биологические роли).}

Многие неупорядоченные белки обнаруживают области без какой-либо регулярной вторичной структуры. Эти области можно назвать гибкими по сравнению со структурированными петлями. В то время как последние являются жесткими и содержат только один набор углов Рамачандрана, IDP включают несколько наборов углов. Термин гибкость также используется для хорошо структурированных белков, но описывает другое явление в контексте неупорядоченных белков. Гибкость структурированных белков связана с равновесным состоянием, в то время как у ВПЛ это не так.Многие неупорядоченные белки также обнаруживают последовательности низкой сложности, то есть последовательности с избыточным представлением нескольких остатков. Хотя последовательности низкой сложности являются сильным признаком нарушения, обратное не обязательно верно, то есть не все неупорядоченные белки имеют последовательности низкой сложности. Неупорядоченные белки имеют низкое содержание предсказанной вторичной структуры.

наверх

---

2.6 Сворачивание, денатурация и гидролиз белков

Сворачивание белка — это физический процесс, посредством которого белковая цепь приобретает свою естественную трехмерную структуру, конформацию, которая обычно является биологически функциональной, быстрым и воспроизводимым образом (Рисунок 2.36). Это физический процесс, с помощью которого полипептид сворачивается в свою характерную и функциональную трехмерную структуру из случайного клубка. Каждый белок существует в виде развернутого полипептида или случайной спирали при трансляции из последовательности мРНК в линейную цепочку аминокислот. У этого полипептида отсутствует какая-либо стабильная (долговечная) трехмерная структура (левая часть первого рисунка). По мере того как полипептидная цепь синтезируется рибосомой, линейная цепь начинает складываться в свою трехмерную структуру.Сворачивание начинает происходить даже при трансляции полипептидной цепи. Аминокислоты взаимодействуют друг с другом, образуя четко определенную трехмерную структуру, свернутый белок (правая часть рисунка), известный как нативное состояние. Полученная трехмерная структура определяется аминокислотной последовательностью или первичной структурой (догма Анфинсена).

Рисунок 2.36 Белок до и после сворачивания

Автор изображения: DrKjaergaard

---

Правильная трехмерная структура важна для функционирования, хотя некоторые части функциональных белков могут оставаться развернутыми или, как в случае IDP, оставаться гибкими, поэтому важна динамика белков.Неспособность свернуться в нативную структуру обычно приводит к образованию неактивных белков, но в некоторых случаях неправильно свернутые белки имеют модифицированную или токсичную функциональность. Считается, что несколько нейродегенеративных и других заболеваний являются результатом накопления неправильно свернутых белков, таких как амилоидные фибриллы, обнаруженные у пациентов с болезнью Альцгеймера.

Сворачивание — это спонтанный процесс, который в основном управляется гидрофобными взаимодействиями, образованием внутримолекулярных водородных связей, силами Ван-дер-Ваальса, и ему противостоит конформационная энтропия.Процесс сворачивания часто начинается совместно с трансляцией, так что N-конец белка начинает сворачиваться, в то время как C-концевой участок белка все еще синтезируется рибосомой; однако молекула белка может самопроизвольно складываться во время или после биосинтеза. Хотя эти макромолекулы можно рассматривать как «сворачивающиеся сами по себе», процесс также зависит от растворителя (вода или липидный бислой), концентрации солей, pH, температуры, возможного присутствия кофакторов и молекулярных шаперонов.Белки будут иметь ограничения на их способность к складыванию из-за ограниченных углов изгиба или возможных форм, как описано в графике Рамачандрана.

Рисунок 2.37 Гидрофобный коллапс. В компактной складке (справа) гидрофобные аминокислоты (показаны черными сферами) схлопываются к центру, чтобы защитить себя от водной среды.

Автор изображения: Tomixdf

Сворачивание белка должно быть термодинамически благоприятным внутри клетки, чтобы реакция была спонтанной.Поскольку известно, что сворачивание белка является спонтанной реакцией, оно должно принимать отрицательное значение свободной энергии Гиббса. Свободная энергия Гиббса при сворачивании белка напрямую связана с энтальпией и энтропией. Для возникновения отрицательного значения ΔG и для того, чтобы сворачивание белка стало термодинамически благоприятным, тогда либо энтальпия, либо энтропия, либо оба условия должны быть благоприятными.

Сведение к минимуму количества гидрофобных боковых цепей, подверженных воздействию воды, является важной движущей силой процесса складывания. Гидрофобный эффект (рис. 2.37) — это явление, при котором гидрофобные цепи белка схлопываются в ядро ​​белка (вдали от гидрофильной среды). В водной среде молекулы воды имеют тенденцию к агрегированию вокруг гидрофобных областей или боковых цепей белка, создавая водные оболочки из упорядоченных молекул воды. Упорядочение молекул воды вокруг гидрофобной области увеличивает порядок в системе и, следовательно, способствует отрицательному изменению энтропии (уменьшению энтропии в системе).Молекулы воды фиксируются в этих водных клетках, что приводит к гидрофобному коллапсу или сворачиванию внутрь гидрофобных групп (рис. 2.38).

Рис. 2.38. Образование клатрата воды. Хлороформ является гидрофобным соединением, поэтому, когда он растворяется в воде с образованием гидрата, гидрофобная гидратация сопровождается отрицательным изменением энтропии из-за повышенного порядка в окружающей воде и положительного изменения теплоемкости, что часто приводит к положительному ΔG. Подобные водные клетки могут объединяться вокруг гидрофобных белковых остатков перед правильным сворачиванием.

---

Гидрофобный коллапс возвращает энтропию в систему за счет разрушения водяных клеток, что освобождает упорядоченные молекулы воды. Множество гидрофобных групп, взаимодействующих внутри ядра глобулярного свернутого белка, вносит значительный вклад в стабильность белка после сворачивания из-за сильно накопленных сил Ван-дер-Ваальса (в частности, сил Лондонской дисперсии).Гидрофобный эффект существует как движущая сила в термодинамике только при наличии водной среды с амфифильной молекулой, содержащей большую гидрофобную область. Прочность водородных связей зависит от их окружения; таким образом, водородные связи, заключенные в гидрофобное ядро, вносят больший вклад, чем водородные связи, находящиеся в водной среде, для стабильности нативного состояния.

Шапероны

Молекулярные шапероны — это класс белков, которые помогают в правильном сворачивании других белков in vivo (Рисунок 2.39). Шапероны существуют во всех клеточных компартментах и ​​взаимодействуют с полипептидной цепью, чтобы позволить сформироваться нативной трехмерной конформации белка; однако сами шапероны не включены в окончательную структуру белка, которому они помогают. Шапероны могут способствовать сворачиванию, даже когда возникающий полипептид синтезируется рибосомой. Молекулярные шапероны действуют путем связывания для стабилизации нестабильной в других отношениях структуры белка в его пути фолдинга, но шапероны не содержат необходимой информации, чтобы знать правильную нативную структуру белка, которому они помогают; скорее, шапероны работают, предотвращая неправильные складчатые конформации.

Рис. 2.39. Вид сверху комплекса бактериальных шаперонов GroES / GroEL, модель

Автор изображения: Википедия

---

Таким образом, шапероны на самом деле не увеличивают частоту отдельных шагов, участвующих в пути сворачивания к нативной структуре; вместо этого они работают, уменьшая возможные нежелательные агрегации полипептидной цепи, которые в противном случае могли бы замедлить поиск подходящего промежуточного соединения, и они обеспечивают более эффективный путь для полипептидной цепи, чтобы принять правильные конформации.Шапероны не следует путать с катализаторами сворачивания, которые на самом деле катализируют медленные в противном случае шаги в пути сворачивания. Примерами катализаторов фолдинга являются протеин-дисульфидные изомеразы и пептидил-пролилизомеразы, которые могут участвовать в образовании дисульфидных связей или взаимном превращении между цис и транс стереоизомерами соответственно.

Показано, что шапероны

имеют решающее значение в процессе сворачивания белка in vivo , потому что они обеспечивают белок с помощью, необходимой для принятия его надлежащих выравниваний и конформаций, достаточно эффективно, чтобы стать «биологически релевантными».Это означает, что полипептидная цепь теоретически может складываться в свою нативную структуру без помощи шаперонов, как продемонстрировали эксперименты по укладке белков, проведенные in vitro ; ^{, однако, этот процесс оказывается слишком неэффективным или слишком медленным, чтобы существовать в биологических системах; следовательно, шапероны необходимы для сворачивания белка in vivo. Показано, что наряду со своей ролью в содействии формированию нативных структур, шапероны участвуют в различных ролях, таких как транспорт белков, деградация, и даже позволяют денатурированным белкам, подвергающимся воздействию определенных внешних денатурирующих факторов, вновь складываться в их правильные нативные структуры.}

Денатурация белка

Полностью денатурированный белок не имеет ни третичной, ни вторичной структуры, однако последовательность первичного белка остается нетронутой, и белок существует в виде случайной спирали (рис. 2.39). При определенных условиях некоторые белки могут складываться заново; однако во многих случаях денатурация необратима. Клетки иногда защищают свои белки от денатурирующего воздействия тепла с помощью ферментов, известных как белков теплового шока (тип шаперона), , которые помогают другим белкам как в сворачивании, так и в том, чтобы оставаться свернутыми (Рисунок 2.40). Белки теплового шока экспрессируются в ответ на повышенные температуры или другие стрессы. Некоторые белки вообще никогда не сворачиваются в клетках, кроме как с помощью шаперонов, которые либо изолируют отдельные белки, чтобы их укладка не прерывалась взаимодействиями с другими белками, либо помогают разворачивать неправильно свернутые белки, позволяя им повторно складываться в правильную нативную структуру. Эта функция имеет решающее значение для предотвращения риска осаждения в нерастворимые аморфные агрегаты.

Рисунок 2.40 Денатурация белка. На рисунке (1) изображен правильно свернутый интактный белок. На этапе (2) к системе подводится тепло, превышающее порог поддержания внутримолекулярных белковых взаимодействий. На этапе (3) показан развернутый или денатурированный белок. Цветные области денатурированного белка соответствуют окрашенным областям природного свернутого белка, показанного на (1).

Схема предоставлена: Scurran15

---

К внешним факторам, участвующим в денатурации белка или нарушении нативного состояния, относятся температура, внешние поля (электрические, магнитные), скученность молекул и даже ограничение пространства, которые могут иметь большое влияние на сворачивание белков.Высокие концентрации растворенных веществ, экстремальные значения pH, механические силы и присутствие химических денатурирующих веществ также могут способствовать денатурации белка. Эти отдельные факторы вместе классифицируются как стрессы. Показано, что шапероны существуют в возрастающих концентрациях во время клеточного стресса и помогают правильному сворачиванию возникающих белков, а также денатурированных или неправильно свернутых.

При некоторых условиях белки не будут сворачиваться в свои биохимически функциональные формы.Температура выше или ниже диапазона, в котором, как правило, живут клетки, вызовет разворачивание или денатурирование термически нестабильных белков (вот почему кипячение делает яичный белок непрозрачным). Однако термостабильность белков далеко не постоянна; например, были обнаружены гипертермофильные бактерии, которые растут при температурах до 122 ° C, что, конечно, требует, чтобы их полный набор жизненно важных белков и белковых ансамблей был стабильным при этой температуре или выше.

Гидолиз

Гидролиз — это расщепление первичной белковой последовательности добавлением воды для преобразования отдельных мономерных звеньев аминокислот (Рисунок 2.41).

Рисунок 2.41 Гидролиз белков. В реакции гидролиза вода добавляется через амидную связь, включающую группу -ОН с карбонильным углеродом и реформируя карбоновую кислоту. Водород из воды преобразовывает амин.

---

Белки участвуют во многих клеточных функциях. Белки могут действовать как ферменты, которые увеличивают скорость химических реакций. Фактически, 99% ферментативных реакций внутри клетки опосредуются белками.Таким образом, они являются неотъемлемой частью процессов создания или разрушения клеточных компонентов. Белки также могут действовать как структурный каркас внутри клетки, помогая поддерживать клеточную форму. Белки также могут участвовать в клеточной передаче сигналов и коммуникации, а также в переносе молекул из одного места в другое. В экстремальных условиях, таких как голодание, белки также могут использоваться в качестве источника энергии внутри клетки.

наверх

---

2.7 Ссылки

OpenStax, Белки. OpenStax CNX. 30 сентября 2016 г. http://cnx.org/contents/bf17f4df-605c-4388-88c2-25b0f000b0ed@2.

Файл: Хиральность руками.jpg. (2017, 16 сентября). Wikimedia Commons, бесплатное хранилище мультимедиа . Получено 17:34, 10 июля 2019 г. с сайта https://commons.wikimedia.org/w/index.php?title=File:Chirality_with_hands.jpg&oldid=258750003.

авторов Википедии. (2019, 6 июля). Цвиттерион. В Википедия, Бесплатная энциклопедия .Получено 21:48, 10 июля 2019 г., с https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Zwitterion&oldid=9721

.

авторов Википедии. (2019, 8 июля). Абсолютная конфигурация. В Википедия, Бесплатная энциклопедия . Получено в 15:28, 14 июля 2019 г., с https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Absolute_configuration&oldid=2423

.

Структурная биохимия / фермент / активный сайт. (2019, 1 июля). Викиучебники, бесплатный учебник, проект . Получено 16:55, 16 июля 2019 г., с сайта https: // en.wikibooks.org/w/index.php?title=Structural_Biochemistry/Enzyme/Active_Site&oldid=3555410.

Структурная биохимия / Белки. (2019, 24 марта). Викиучебники, бесплатный учебник, проект . Получено в 19:16, 18 июля 2019 г., с сайта https://en.wikibooks.org/w/index.php?title=Structural_Biochemistry/Proteins&oldid=3529061.

Fujiwara, K., Toda, H., and Ikeguchi, M. (2012) Зависимость аминокислотной склонности α-спирали и β-складки от общего типа белковой складки. BMC Структурная биология 12:18.Доступно по адресу: https://bmcstructbiol.biomedcentral.com/track/pdf/10.1186/1472-6807-12-18

авторов Википедии. (2019, 16 июля). Кератин. В Википедия, Бесплатная энциклопедия . Получено 17:50, 19 июля 2019 г., с https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Keratin&oldid=₈₃₄₀

.

авторов Википедии. (2019, 13 июля). Альфа-кератин. В Википедия, Бесплатная энциклопедия . Получено в 18:17, 19 июля 2019 г., с https://en.wikipedia.org/w/index.php? title = Альфа-кератин & oldid =

7410

Инициатива открытого обучения. (2019) Покровные уровни организации. Университет Карнеги Меллон. В анатомии и физиологии. Доступно по адресу: https://oli.cmu.edu/jcourse/webui/syllabus/module.do?context=4348

0020ca6010f804da8baf7ba.

авторов Википедии. (2019, 16 июля). Коллаген. В Википедия, Бесплатная энциклопедия . Получено в 03:42, 20 июля 2019 г., с https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Collagen&oldid=

9954

.

авторов Википедии.(2019, 2 июля). Россманн фолд. В Википедия, Бесплатная энциклопедия . Получено в 16:01, 20 июля 2019 г., с https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Rossmann_fold&oldid=8788

.

авторов Википедии. (2019, 30 мая). Ствол ТИМ. В Википедия, Бесплатная энциклопедия . Получено в 16:46, 20 июля 2019 г., с https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=TIM_barrel&oldid=899459569

.

авторов Википедии. (2019, 16 июля). Сворачивание белков. В Википедия, Бесплатная энциклопедия .Получено 18:30, 20 июля 2019 г., с https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Protein_folding&oldid=

4145

.

авторов Википедии. (2019, 11 июня). Глобулярный белок. В Википедия, Бесплатная энциклопедия . Получено 18:49, 20 июля 2019 г., с https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Globular_protein&oldid=

0467

.

авторов Википедии. (2019, 11 июля). Внутренне неупорядоченные белки. В Википедия, Бесплатная энциклопедия . Получено 19:52, 20 июля 2019 г., с https: // en.wikipedia.org/w/index.php?title=Intrinsically_disordered_proteins&oldid=2287

Структура белка | Биологический словарь

Функция белка сильно зависит от его трехмерной структуры. Аминокислотная последовательность полипептидной цепи определяет окончательную трехмерную структуру белка.

Есть четыре уровня структуры белка; первичная структура, вторичная структура, третичная структура и четвертичная структура. Кроме того, существует два основных класса трехмерных белковых структур; это глобулярные и волокнистые белки.

Сложные трехмерные белки образуются путем сворачивания простых первичных и вторичных белковых структур.

Уровни структуры белка

Из чего состоят белки?

Белки — это полимеров, , что означает, что они представляют собой большие молекулы, состоящие из множества более мелких молекул. Небольшие молекулы, из которых состоят белки, называются аминокислот.

Каждая аминокислота содержит атом углерода, аминогруппу, карбоксильную группу и боковую цепь (также известную как группа R).

Аминокислота

Боковая цепь — единственный вариабельный компонент аминокислоты. Тип боковой цепи определяет тип аминокислоты, а также определяет ее характеристики (например, ее размер, pH и полярность). В организме человека всего около 20 различных типов аминокислот, но они могут объединиться, чтобы образовать около 20 000 уникальных белков.

Аминокислоты соединяются пептидными связями, которые образуются между аминогруппой одной молекулы и карбоксильной группой другой.Две соединенные вместе аминокислоты называются дипептидом ; цепь, состоящая из нескольких аминокислот, известна как полипептид .

Связывание пептидов

Различные типы структуры белков

Структура белков напрямую связана с их функцией и может быть первичной, вторичной, третичной или четвертичной.

Первичная структура белка

Самый основной тип структуры белка называется первичной структурой . Первичный белок — это простая линейная цепь аминокислот (также известная как полипептидная цепь).

Порядок аминокислот в полипептидной цепи определяется порядком нуклеотидов (последовательность ДНК ) гена, который ее кодирует. Даже незначительное изменение аминокислотной последовательности полипептидной цепи может изменить общую структуру и функцию белка.

Вторичная структура белка

Вторичная структура белка создается за счет укладки полипептидной цепи . Полипептидная цепь складывается, и между атомами полипептидной цепи образуются водородных связей , удерживая вторичную структуру на месте.

Существует два основных типа вторичных белковых структур: α-спираль и β-складчатый лист.

Вторичная структура белка

Третичная структура белка

Белок не является полностью функциональным, пока он не приобретет трехмерную форму. Трехмерная структура белка упоминается как его третичная структура и создается путем дальнейшего укладки вторичных белков .

Взаимодействия между боковыми цепями аминокислот приводят к образованию третичной структуры, и связи образуются между ними по мере сворачивания белка. К ним относятся водородные связи, ионные связи и дисульфидные связи.

Дисульфидные связи — это ковалентные связи, которые образуются между серосодержащими боковыми цепями и намного прочнее, чем другие типы связей. Дисульфидные связи — это то, что удерживает третичную структуру белка на месте.

Третичная структура белка

Четвертичная структура белка

Многие белки состоят из одной полипептидной цепи и не становятся более сложной, чем их третичная структура.Однако некоторые белки состоят из нескольких полипептидных цепей. Когда несколько полипептидных цепей (AKA субъединицы ) объединяются, они могут образовывать структуру, известную как четвертичный белок .

Одним из примеров структуры четвертичного белка является гемоглобин . Гемоглобин состоит из четырех полипептидных цепей и специально адаптирован для связывания кислорода в крови.

Гемоглобин — это четвертичный белок.

Классы структуры белка.

Функция белка в значительной степени зависит от его окончательной структуры.Третичные и четвертичные белки представляют собой функциональные белки с трехмерной структурой. Однако тип структуры может значительно различаться между разными белками.

Существует два основных класса трехмерной белковой структуры: глобулярных белков и волокнистых белков.

Глобулярные белки

Глобулярные белки обычно имеют округлую или шарообразную форму. Обычно они имеют метаболических функций , , например, они могут быть ферментами , или антителами. Гемоглобин является примером глобулярного белка.

Волокнистые белки

Волокнистые белки длинные и узкие и обычно имеют структурную функцию . Примеры волокнистых белков включают коллаген (обнаруженный в костях, мышцах и коже) и кератин (материал, из которого состоят волосы, ногти и перья).

Что такое денатурация белка?

Белки функционируют только до тех пор, пока они сохраняют свою трехмерную структуру.Если они развернутся и потеряют форму, они перестанут работать.

Белок потеряет свою трехмерную структуру, если удерживающие его водородные связи разорвутся.

Это может произойти, если белок подвергается стрессу , , например, нагреванием, изменением pH, обезвоживанием или сильным встряхиванием. Белок может вернуться к своей исходной форме после удаления денатурирующего агента , но в некоторых случаях денатурация остается постоянной.Одним из примеров необратимой денатурации является белок яичного белка, который становится непрозрачным, поскольку теряет форму во время приготовления.

Тепло денатурирует белки

Структура и функции белка

Структура белка закладывает основу для его взаимодействия с другими молекулами организма и, следовательно, определяет его функцию. В этой статье будут рассмотрены структурные принципы белков и их влияние на функцию белка.

Первичная структура белка

Белки состоят из длинной цепи аминокислот.Даже при ограниченном количестве аминокислотных мономеров — в организме человека обычно встречается всего 20 аминокислот — их можно расположить множеством способов, чтобы изменить трехмерную структуру и функцию белка. Простое секвенирование белка известно как его первичная структура.

Вторичная структура белка

Вторичная структура белка зависит от локальных взаимодействий между частями белковой цепи, которые могут влиять на укладку и трехмерную форму белка.Есть две основные вещи, которые могут изменить вторичную структуру:

• α-спираль: группы N-H в основной цепи образуют водородную связь с группой C = O четырех остатков аминокислоты ранее в спирали.
• β-складчатый лист: группы N-H в основной цепи одной нити образуют водородные связи с группами C = O в основной цепи полностью вытянутой цепи рядом с ней.

Также может быть несколько функциональных групп, таких как спирты, карбоксамины, карбоновые кислоты, тиоэфиры, тиолы и другие основные группы, связанные с каждым белком.Эти функциональные группы также влияют на складывание белков и, следовательно, на их функцию в организме.

Третичная структура

Третичная структура белков относится к общей трехмерной форме после вторичных взаимодействий. К ним относится влияние полярных, неполярных, кислотных и основных R-групп, которые существуют на белке.

Четвертичный белок

Четвертичная структура белка относится к ориентации и расположению субъединиц в белках с мульти-субъединицами.Это актуально только для белков с несколькими полипептидными цепями.

Белки складываются в определенные формы в соответствии с последовательностью аминокислот в полимере, и функция белка напрямую связана с полученной трехмерной структурой.

Белки могут также взаимодействовать друг с другом или с другими макромолекулами в организме, создавая сложные сборки. В этих сборках белки могут развивать функции, которые были невозможны в автономном белке, такие как выполнение репликации ДНК и передача клеточных сигналов.

Природа белков также очень разнообразна. Например, некоторые из них довольно жесткие, а другие несколько гибкие. Эти характеристики также соответствуют функции белка. Например, более жесткие белки могут играть роль в структуре цитоскелета или соединительных тканей. С другой стороны, те, у кого есть некоторая гибкость, могут действовать как шарниры, пружины или рычаги, помогая в работе других белков.

Функции белка

Белки играют важную роль во многих важных биологических процессах и функциях.Они очень универсальны и выполняют множество различных функций в организме, как указано ниже:

• Действовать как катализатор
• Транспортные другие молекулы
• Хранить другие молекулы
• Обеспечить механическую поддержку
• Обеспечивает иммунную защиту
• Создать движение
• Передавать нервные импульсы
• Контроль роста и дифференцировки клеток

Степень, в которой структура белков влияет на их функцию, демонстрируется влиянием изменений в структуре белка.