Строение и функции белков кратко: Таблица “Функции белков” (биология, 10 класс)

Третичная структура

Уникальная трехмерная структура полипептида — это его третичная структура (рис. 3.31). Эта структура частично обусловлена ​​химическими взаимодействиями в полипептидной цепи. Прежде всего, взаимодействия между группами R создают сложную трехмерную третичную структуру белка.Природа групп R, присутствующих в задействованных аминокислотах, может противодействовать образованию водородных связей, описанных для стандартных вторичных структур. Например, группы R с одинаковыми зарядами отталкиваются друг от друга, а группы с разными зарядами притягиваются друг к другу (ионные связи). Когда происходит сворачивание белка, гидрофобные группы R неполярных аминокислот лежат внутри белка, тогда как гидрофильные группы R лежат снаружи. Первые типы взаимодействий также известны как гидрофобные взаимодействия.Взаимодействие между боковыми цепями цистеина образует дисульфидные связи в присутствии кислорода, единственную ковалентную связь, образующуюся во время сворачивания белка.

Рис. 3.31. Третичная структура белков определяется множеством химических взаимодействий. К ним относятся гидрофобные взаимодействия, ионные связи, водородные связи и дисульфидные связи.

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

Четвертичная структура

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 отдельный полипептид и теряет некоторые внутренние последовательности в присутствии посттрансляционной модификации после образования дисульфидных связей, которые удерживают вместе оставшиеся цепи.Шелк (волокнистый белок), однако, имеет складчатую листовую структуру β , которая является результатом водородных связей между различными цепями.

Четыре уровня структуры белка (первичный, вторичный, третичный и четвертичный) показаны на рис. 3.32.

Рис. 3.32 На этих иллюстрациях можно увидеть четыре уровня белковой структуры. (кредит: модификация работы Национального исследовательского института генома человека)

Денатурация и сворачивание белка

Каждый белок имеет свою уникальную последовательность и форму, которые удерживаются вместе за счет химических взаимодействий.Если белок подвержен изменениям температуры, pH или воздействию химических веществ, структура белка может измениться, потеряв свою форму без потери своей первичной последовательности в так называемой денатурации. Денатурация часто обратима, поскольку первичная структура полипептида сохраняется в процессе, если денатурирующий агент удаляется, позволяя белку возобновить свою функцию. Иногда денатурация необратима, что приводит к потере функции. Одним из примеров необратимой денатурации белка является жарение яйца.Белок альбумина в жидком яичном белке денатурируется при помещении на горячую сковороду. Не все белки денатурируются при высоких температурах; например, бактерии, которые выживают в горячих источниках, содержат белки, функционирующие при температурах, близких к температуре кипения. Желудок также очень кислый, имеет низкий pH и денатурирует белки как часть процесса пищеварения; однако пищеварительные ферменты желудка в этих условиях сохраняют свою активность.

Сворачивание белка имеет решающее значение для его функции.Первоначально считалось, что сами белки несут ответственность за процесс сворачивания. Только недавно было обнаружено, что часто они получают помощь в процессе сворачивания от белков-помощников, известных как шапероны (или шаперонины), которые связываются с целевым белком во время процесса сворачивания. Они действуют, предотвращая агрегацию полипептидов, составляющих полную структуру белка, и отделяются от белка, как только целевой белок сворачивается.

Ссылка на обучение

Чтобы получить дополнительную информацию о белках, просмотрите этот анимационный ролик под названием «Биомолекулы: белки.”

Веганы — это люди, которые не употребляют в пищу продукты животного происхождения. Почему веганам нужно уделять особое внимание белку, который они едят?

1. Растительные белки содержат все незаменимые и заменимые аминокислоты.
2. Сложнее получить все незаменимые аминокислоты из отдельных растительных источников.
3. Растительные белки содержат только заменимые аминокислоты.
4. Белки растений не содержат всех незаменимых аминокислот, но содержат незаменимые аминокислоты.

Подключение к научной практике для курсов AP®

Подумай об этом

• Предскажите, что произойдет, если даже одна аминокислота будет заменена другой в полипептиде, и представьте конкретный пример.
• Какие категории аминокислот вы ожидаете найти на поверхности растворимого белка, а какие — внутри? Какое распределение аминокислот вы ожидаете найти в белке, встроенном в липидный бислой мембраны плазматической клетки?

Деятельность

Сворачивание — важное свойство белков, особенно ферментов.Белки имеют узкий диапазон условий, в которых они правильно сворачиваются; вне этого диапазона белки могут разворачиваться (денатурироваться) и часто не могут складываться заново и снова становиться функциональными. Изучите одно заболевание, которое возникает из-за неправильного сворачивания белка. Опишите причины разворачивания и последствия для молекулярной структуры полипептида, которые приводят к заболеванию.

Поддержка учителей

Первый вопрос «Подумай об этом» — это применение цели обучения 4.3 и научных практик 6.1 и 6.4, потому что студенты предсказывают, как изменение подкомпонентов молекулы может повлиять на свойства молекулы.

Второй вопрос «Подумай об этом» — это применение Задачи обучения 4.2 и Практики 1.3, потому что учащиеся используют представления молекул вместе с моделью клеточной мембраны, чтобы описать, как молекулярная структура аминокислот определяет их расположение с белком или другим. структура, такая как бислой фосфолипидов.

Это упражнение является применением Задачи обучения 4.1 и научная практика 7.1, цель обучения 4.2 и научная практика 1.3, а также цель обучения 4.3 и научная практика 6.1 и 6.4, потому что студентов просят объяснить, как факторы окружающей среды могут изменить молекулярную структуру белка и как это изменение может привести к изменению в функции, то есть болезни.

Структура белка | BioNinja

Понимание:

• Последовательность и количество аминокислот в полипептиде являются первичной структурой

Первичная (1º) структура

• Первый уровень структурной организации в белке — это порядок / последовательность аминокислот , которые составляют полипептидную цепь
• Первичная структура образована ковалентными пептидными связями между амино и карбоксильные группы соседних аминокислот
• Первичная структура контролирует все последующие уровни организации белка, поскольку она определяет характер взаимодействий между группами R различных аминокислот

Понимание:

• Вторичная структура представляет собой образование α-спиралей и β-складчатых листов, стабилизированных водородными связями

Вторичная (2º) структура

• Вторичная структура — это способ сворачивания полипептида в повторяющуюся структуру с образованием α- спиралей и β-складчатых листов
• Это складывание является результатом водородных связей между аминогруппами и карбоксильными группами несмежных аминокислот
• Последовательности, которые не образуют ни альфа-спирали, ни бета-складчатого листа, будут существовать в виде случайной спирали
• Вторичная структура обеспечивает полипептидную цепь с уровень механической устойчивости (из-за наличия водородных связей)
• На рисунках альфа-спирали представлены в виде спиралей (фиолетовый; слева) и бета-гофрированные листы в виде стрелок (синий; справа)

Понимание:

• Третичная структура — это дальнейшее сворачивание полипептида, стабилизируемое взаимодействиями между группами R

Третичная (3º) структура

• Третичная структура — это то, как полипептидная цепь скручивается и поворачивается, образуя сложную молекулярную форму (т.е.е. 3D-форма )
• Это вызвано взаимодействиями между группами R ; включая Н-связи, дисульфидные мостики, ионные связи и гидрофобные взаимодействия
• Важны относительные положения аминокислот (например, неполярные аминокислоты обычно избегают воздействия водных растворов)
• Третичная структура может быть важной для функции белка (например, специфичность активного центра ферментов)

Понимание:

• Четвертичная структура существует в белках с более чем одной полипептидной цепью

Четвертичная (4º) структура

• Множественные полипептиды или простетических групп могут взаимодействовать с образованием одного, более крупного, биологически активного белка (четвертичная структура)
• Простетическая группа — это неорганическое соединение, участвующее в структуре белка или функция (например,грамм. группа гема в гемоглобине)
• Белок, содержащий простетическую группу, называется конъюгированным белком
• Четвертичные структуры могут удерживаться вместе различными связями (аналогично третичной структуре)

Краткое описание четырех уровней структуры белка

Код минимальной последовательности для переключения структуры и функции белка

Реферат

Мы представляем здесь структурное и механистическое описание того, как белок меняет структуру и функцию, мутация за мутацией.Наш подход заключался в создании 2 белков, которые ( i ) стабильно уложены в 2 разных складки, ( ii ) имеют 2 разные функции и ( iii ) очень похожи по последовательности. В этом упрощенном пространстве последовательностей мы исследуем мутационный путь от одной складки к другой. Мы показываем, что связывание IgG в 4β + α-кратности может быть преобразовано в 3-α-кратное связывание с альбумином посредством мутационного пути, при котором ни функция, ни нативная структура не теряются полностью. Стабильность всех мутантов на пути оценивается, ключевые структуры с высоким разрешением определяются с помощью ЯМР, и предоставляется объяснение механизма переключения.Мы показываем, что конформационный переход от структуры 4β + α к структуре 3-α может происходить посредством единственной аминокислотной замены. С одной стороны от точки переключения 4β + α-кратность заселена> 90% (pH 7,2, 20 ° C). Одиночная мутация переключает конформацию в 3-α раз, что составляет> 90% населения (pH 7,2, 20 ° C). Мы также показываем, что в точке переключения существует бифункциональный белок со сродством как к IgG, так и к альбумину.

Белковые молекулы способны самоорганизовываться в трехмерные топологии, которые создают биологические функции.Однако фундаментальные принципы того, как последовательность аминокислот в белке определяет его структуру, остаются малоизученными, несмотря на его центральное значение для биологии. Первичный подход к «проблеме сворачивания» состоял в том, чтобы определить подробное структурное и энергетическое описание равновесия между нативным состоянием и случайной популяцией неупорядоченных, развернутых состояний. Хорошо известно, что равновесие между свернутым и развернутым может быть радикально изменено в любом направлении с помощью нескольких мутаций.Однако накапливаются доказательства того, что несколько мутаций иногда могут резко сдвинуть равновесие в сторону новых третичных (и / или четвертичных) структур (1, 2). Понимание способности белка приобретать совершенно иную структуру в результате незначительного мутагенного возмущения является центральным для понимания как сворачивания белка в целом, так и, в частности, эволюции новых структур и функций белка. Большинство природных белков в значительной степени заселяют только нативное состояние, при этом ΔG _{разворачивается} ≥5 ккал / моль.Также обычно предполагается, что для сдвига равновесия требуется много мутаций, так что ΔG _{, разворачивающаяся} для некоторого альтернативного состояния, составляет ≥5 ккал / моль. Фактически, это предположение лежит в основе большинства методов биоинформатики. Большинство мутаций в белке, которые увеличивают его склонность к альтернативной складке, дестабилизируют исходную складку. Таким образом, кажется интуитивно понятным, что путь одиночных аминокислотных замен должен приводить к длинной серии мутантов, которые будут разворачиваться до того, как накопится достаточно информации о сворачивании, чтобы значительно заселить альтернативную складку.Тем не менее, как природные, так и сконструированные примеры демонстрируют, что пространство последовательностей, разделяющих 2 белка с разными структурами, может быть довольно небольшим (3–5). Чтобы понять эту, казалось бы, парадоксальную ситуацию, необходимо методически исследовать пространство последовательностей, разделяющее 2 устойчивые складки. По идее это просто. Первый начинается с двух стабильных белков одинакового размера, но с разными складками и мутирует один, чтобы он стал больше похож на другой, пока не произойдет переключение в структуре. Однако на практике этот подход нетривиален.Любая мутация в белке изменит контекст других аминокислот. В этом суть проблемы складывания. Таким образом, наш подход заключался в создании упрощенного пространства последовательностей, в котором можно исследовать мутационный путь от одной складки к другой, а сдвиги в равновесии между двумя свернутыми состояниями (и развернутыми состояниями) могут быть измерены как функция мутации.

Ранее мы и другие исследовали структуру, укладку и стабильность 2 связывающих доменов белка G Streptococcus (6).Белок G содержит 2 типа доменов, которые связываются с белками сыворотки крови: домен G _A из 45 структурированных аминокислот, которые связываются с человеческим сывороточным альбумином (HSA) (7, 8), и домен G _B из 56 структурированные аминокислоты, которые связываются с константной (Fc) областью IgG (9, 10). Природные версии доменов G _A и G _B не обладают значительной гомологией последовательностей и имеют разные складки, 3-α и 4β + α, соответственно. На основе этих исследований мы смогли создать версии с высокой идентичностью G _A и G _B , которые обладают стабильностью дикого типа и функцией связывания, но идентичны на 77%.Эти белки обозначены G _A 77 и G _B 77. G _A 77 связывается с HSA с K _d = 100 нМ и имеет ΔG _{разворачивания} 5 ккал / моль (20 ° C, 0,1 М KPO ₄ , pH 7,2) (11). Аминокислоты 1–8 и 54–56 неупорядочены в G _A 77. Остальные 45 аминокислотных остатков хорошо упорядочены в пучке 3-α спиралей (12). G _B 77 связывается с константной (Fc) областью IgG с K _d = 100 нМ и имеет ΔG _{разворачивания} 5 ккал / моль (20 ° C, 0.1 М КПО ₄ , pH 7,2) (13, 14). Все 56 аминокислотных остатков G _B 77 хорошо упорядочены в 4-х нитном β-листе с α-спиралью, соединяющей нити 2 и 3 (12). Белки были сконструированы таким образом, что связывающие эпитопы IgG и HSA кодируются в обоих белках. IgG-связывающий эпитоп является функциональным в 4 + α-кратном и латентным в 3-α кратном, тогда как альбумин-связывающий эпитоп является функциональным в 3-α-кратном и латентным в 4-кратном + α-кратном. Это приводит к экспериментальной системе, в которой разоблачение скрытой функции связано с переключением конформации (рис.1). Эта работа описана в исх. 3, 4, 11, 12 и 15. Тот факт, что G _A 77 и G _B 77 настолько близки в пространстве мутаций, значительно упрощает последующий поиск в пространстве последовательностей, которое их разделяет. Проблема контекста не устранена, но сведена к практически достижимому уровню. Это позволило систематически исследовать пространство последовательностей, разделяющее эти 2 функциональные складки.

Результаты

Неидентичные положения между белками G _A 77 и G _B 77 показаны на рис.1. Наш подход заключался в исследовании пространства бинарных последовательностей (выбор аминокислоты G _A или G _B в неидентичных положениях). Очевидно, что выполнение 13 последовательных замен в любом порядке соответствующей аминокислотой в неидентичном положении приведет к конформационному переключению. Однако поиск пути с наименьшим количеством неструктурированных промежуточных продуктов требует систематического подхода. Сначала мы проанализировали все 13 односайтовых мутантов в G _A 77 и G _B 77.Мы смогли произвести и очистить свернутые белки примерно для половины этих мутантов. Белки очищали с использованием системы тегов аффинного расщепления, которую мы разработали (16), по существу, как описано в ссылке. 3. Система позволяет проводить быструю стандартизованную очистку мутантных белков даже с низкой стабильностью. Мутанты характеризовались круговым дихроизмом (ЦД) для оценки вторичной структуры (рис. S1), термической денатурацией с помощью ЦД для оценки стабильности (рис. S2), способностью связывать HSA и IgG для оценки функции и двумерной гетероядерной однокантовой корреляцией. (HSQC) спектры с использованием ЯМР для оценки третичной структуры.Мономерное состояние было установлено с помощью эксклюзионной хроматографии и многоуглового рассеяния лазерного света. Структуры высокого разрешения были определены стандартными методами 3D ЯМР для ключевых белков. Средние точки термической денатурации (T _M ) (0,1 M KPO4, pH 7,2, 20 ° C) указаны для всех свернутых мутантов в таблице 1. Мы обнаружили, что каждое положение в той или иной складке может быть мутировано без кодирования нативного состав. Ключевые мутанты на пути к конформационному переключению показаны на рис.2. Была обнаружена гетероморфная пара с 88% идентичностью (G _A 88 и G _B 88b), в которой стабильность и функции остаются аналогичными некоторым природным связывающим доменам IgG и HSA. Сборка гетероморфных пар с идентичностью более 88% также была возможна, хотя дополнительная мутация приводит к падению стабильности ниже порогового значения, наблюдаемого для большинства природных белков. Пара G _A 91 и G _B 91 имеет ΔG _{при разворачивании} > 3 ккал / моль при 20 ° C. Оба белка демонстрируют не сниженную аффинность связывания с соответствующими лигандами и являются мономерными.

Рисунок 1.

G _A 77 в комплексе с HSA (из 1TFO.pdb) (36) и G _B 77 в комплексе в IgG (из 1fcc.pdb) (37). Боковые цепи аминокислот в 13 неидентичных положениях изображены в виде желтых палочек.

Таблица 1.

Очищенные мутанты

Рис. 2.

Выравнивание последовательностей белков 3-α G _A ( Top ) и белков 4β + α G _B ( Bottom ) описано в тексте. Области вторичной структуры для G _A 95 и G _B 95 показаны вверху и внизу совмещения, соответственно.13 неидентичностей между G _A 77 и G _B 77 показаны голубым цветом, 7 неидентичностей между G _A 88 и G _B 88 зеленым цветом, 4 неидентичности между G _A 91 и G _B 91 синим цветом, 3 неидентичности между G _A 95 и G _B 95 — желтым, а разность одной аминокислоты между G _A 98 и G _B 98 в остатке 45 — красным.

Бинарное пространство мутаций, разделяющее G _A 91 и G _B 91, состоит только из 32 последовательностей.Мы сконструировали, экспрессировали и очистили 17 из этих вариантов, чтобы эффективно выбрать пространство последовательностей (таблицы 1 и S1). Основные наблюдения сводятся к следующему. Мутация Y33I мало влияет на стабильность в 4β + α-кратности (-0,1 ккал / моль), а мутация L50K оказывает наименьшее влияние на стабильность в 3-α-кратности (−1,0 ккал / моль). Мутация в положении 20, 33 или 45 недопустима в 3-α кратности ни в одном из 32 контекстов (Таблица S1). Мутация в положении 30, 45 или 50 недопустима в 4β + α-фолде ни в одном из контекстов.Единственным положением, которое не может быть изменено ни в одной из складок (без его разворачивания), было положение 45. Восемь из 17 белков были преимущественно свернуты в одну из нативных структур: четыре были 3-α и 4 были 4β + α. Из 9 «развернутых» белков все были очищены, и CD можно было увидеть, что они имеют значительное содержание вторичной структуры. Точный характер этой остаточной структуры, вероятно, можно будет определить в будущем с помощью методов 3D ЯМР.

Варианты, обозначенные G _A 95 и G _B 95, различаются только в положениях 20, 30 и 45, но при этом полностью сложены, при этом ΔG _{разворачивает} ≈3 ккал / моль при 20 ° C (рис.S2). Оба белка проявляют аффинность связывания с соответствующими лигандами (K _D <1 мкМ) и являются мономерными. Структуры этих белков с высоким разрешением были определены, чтобы лучше понять, как такое небольшое количество аминокислот контролирует конформационный переключатель. Это подробно обсуждается ниже. Статистика для ансамблей G _B 95 и G _A 95 из 20 структур показана в таблице S2. Коды доступа к банку данных белков для G _A 95 и G _B 95 — 2KDL и 2KDM, соответственно.

Мутация I30F в G _A 95 (G _A 98) и A20L в G _B 95 (G _B 98) приводит к гетероморфной паре, отличающейся всего в 1 аминокислоте. G _A 98 свернут в конформацию 3-α (заселенность> 90%, pH 7,2, 20 ° C), а G _B 98 свернута в конформацию 4β + α (заселенность> 90%, pH 7,2, 20 ° С). Спектры КД белков G _A 98 и G _B 98 практически идентичны спектрам их родительских белков G _A и G _B (рис.S1). Приписанные спектры HSQC G _A 98 и G _B 98 сравниваются на рис. 3. G _A 98 демонстрирует пониженное сродство к HSA (K _D > 1 мкМ), но приобретает сродство к IgG (K _D <1 мкМ). G _B 98 прочно связывается с IgG, но не с HSA. Способность G _A 98 связывать IgG, а также HSA может выявить скрытую склонность к переключению в конформацию 4β + α и демаскировать IgG-связывающий эпитоп. Популяция конформации 4β + α слишком мала для обнаружения в не связанном состоянии G _A 98, но связывание IgG может сместить равновесие от 3-α к 4β + α.Также возможно, что G _A 98 связывает IgG по новому механизму. Это будет решено с помощью ЯМР для картирования связывающего эпитопа (17). В любом случае исследование пространства бинарных последовательностей показывает, что один функциональный белок может переключаться в совершенно другую конформацию с другой функцией посредством мутационного пути, при котором ни функция, ни нативная структура полностью не теряются. Белки G _A 98 и G _B 98 стабильны лишь незначительно, но восстановление стабильности и функции, близкой к дикому типу, в любом направлении может быть достигнуто только с помощью 3 дополнительных мутаций (например,g., согласно G _A 88 и G _B 88b).

Рис. 3.

¹ H, ¹⁵ N Спектры HSQC. Назначение амидов основной цепи показано для G _A 98 (черный) и G _B 98 (красный). Из 56 аминокислот в этих 2 белках 55 идентичны, но имеют разное химическое окружение, отражающее 2 разные складки. Сигналы амидных протонов для боковых цепей соединены горизонтальными линиями.

Общее изменение топологии.

Структуры с высоким разрешением были определены для G _A 95 и G _B 95 и дают представление о структурных детерминантах конформационного переключения.Аминокислотные замены при 20, 30 и 45 сдвигают равновесие с> 99% 4β + α до> 99% 3-α. Аминокислоты 1–8 неупорядочены в G _A 95 и образуют центральную цепь β1 в G _B 95 (рис. 4). Аминокислоты 9–23 образуют спираль 1 в G _A 95 и в G _B 95 образуют поворот между β1 и β2, цепь β2 и поворот между β2 и центральной спиралью. Аминокислоты 27–33 имеют спиральную форму в G _A 95. В G _B 95 спираль немного длиннее: 24–37. Аминокислоты 39–51 образуют спираль 3 в G _A 95 и в G _B 95 образуют поворот между центральной спиралью и β3, цепью β3, поворот между β3 и β4 и первую часть цепи β4. .Аминокислоты 52–56 неупорядочены в G _A 95 и образуют конец цепи β4 в G _B 95. За исключением общих спиральных остатков 27–33, каждая аминокислота претерпела изменение вторичной структуры в переключателе. от 3-α до 4β + α.

Рис. 4.

Мультяшное изображение топологии магистрали G _A 95 и G _B 95. Остатки 1–8 — синие, 9–23 — зеленые, 24–37 — красные, 38–52 — желтые и 53–56 — голубые. .

Гидрофобные взаимодействия.

Гидрофобное ядро ​​G _A 95 включает A12, A16 и L20 из α1; I30, I33 и A36 от α2; и V42, K46 и I49 из α3 (рис.5). Алифатическая боковая цепь K46 способствует упаковке гидрофобного ядра с выступающей в растворитель группой аммония. A16, L20, I30, I33 и I49 образуют плотную сеть взаимозависимых гидрофобных контактов. L45 скрыт на 35% и фактически не очень консервативен среди природных доменов G _A . Его основные контакты находятся с граничными остатками Y29, L32 и остатком ядра I33. Гидрофобное ядро ​​G _B 95 включает Y3, L5 и L7 из β1; A16 и A20 от β2; A26, F30 и A34 от α-спирали; W43 и Y45 из β3; и F52 и V54 из β4.Кластер Y3, L5, F30 и F52 составляет ≈50% гидрофобного ядра. F30 взаимодействует в первую очередь с Y3 и L5 в β1 и F52 в β4. Y45 упакован против F52, а также образует очень прочную водородную связь с D47, что повышает pK _и Y45 до> 12,0 (18). Взаимодействия Y45, D47 и F52 внутри шпильки β3-β4 помогают придать ей независимую стабильность, наблюдаемую в предыдущих исследованиях мутантов белка G (19). Семь критических гидрофобных остатков в ядре 3-α (A12, A16, I33, A36, V42, K46 и I49) сохраняются в 4β + α-кратности G _B 95.Девять критических остатков в 4β + α-кратности (Y3, L5, L7, A16, A26, A34, W43, F52 и V54) сохраняются в 3-α-кратном G _A 95. Скрытые остатки в одном направлении — это часто большее количество растворителя экспонируется в другой складке (рис. S3).

Рис. 5.

Ансамбль из 20 структур ЯМР для ( A ) G _A 95 (остатки 7–52) и ( B ) G _B 95 (остатки 1–56). Среднеквадратичные значения RMSD магистрали для обеих структур составляют ≈0,5 Å. Полная статистика структуры представлена ​​в Таблице S2. Упорядоченные остатки ядра показаны голубым, тогда как различия в трех аминокислотах между G _A 95 и G _B 95 выделены красным.Обратите внимание, что L20 упорядочен в гидрофобном ядре G _A 95, тогда как I30 и L45 более неупорядочены и доступны для растворителя. И наоборот, F30 и Y45 вносят значительный вклад в стабилизацию сердечника в G _B 95.

Критическая роль N- и C-концов в коммутации.

Можно рассматривать белок как 2 части: аминокислоты 9–51, которые полностью структурированы в обеих складках, и 2 конца (1–8 и 52–56), которые не структурированы в 3-α, но образуют β-цепи в G _B 95 (рис.6). При переключении с 3-α на 4β + α гидрофобные взаимодействия в ядре спирального пучка высвобождаются и заменяются взаимоисключающими гидрофобными взаимодействиями между центральной спиралью (A26, F30 и A34) и центральными β-цепями: β1 (Y3, L5 и L7) и β4 (F52 и V54). Таким образом, существует конкуренция между формированием спирального пучка и привлечением N- и C-концевых остатков с образованием β-листа с альтернативным гидрофобным ядром. Когда 20 = L, 30 = I и 45 = L, их предпочтительные партнеры по связыванию находятся в гидрофобном ядре 3-α-кратной области (например.g., A16, I33 и I49). Когда 20 = A, 30 = F и 45 = Y, их предпочтительными партнерами по связыванию являются 3, 5 и 7 в цепи β1 и 52 и 54 в цепи β4. Пространство двоичной последовательности между G _A 95 и G _B 95 составляет всего 8 комбинаций. В этом пространстве последовательности L vs. Y на 45 имеет решающее значение для того, в какую сторону нарушится баланс. Когда 45 = L, варианты разворачиваются, если 20 = A. Если 45 = L и 20 = L, белок останется преимущественно 3-α, даже когда I30 станет F. Аналогично, когда 45 = Y, варианты развернуты, если 30 = I. .Если 45 = Y и 30 = F, белок останется преимущественно 4β + α, даже когда A20 станет L. Таким образом, переключение может быть уменьшено до 1 аминокислоты.

Рис. 6.

Механизм переключения. Альтернативные конформации N-концевых (оранжевый) и C-концевых (синий) аминокислот в 3-α и 4β + α-складках. Аминокислота критического переключения находится в положении 45 (красный). Также изображена гидрофобная упаковка N- и C-концевых аминокислот в ядре складки 4 + α.

Термодинамическая связь.

Чтобы полностью понять энергетику переключателя, важно понимать, что ( i ) две альтернативные складки термодинамически связаны, и ( ii ) эта связь развивается только по мере развития контекста альтернативной складки. Это лучше всего иллюстрируется вариациями при 45 и 52. Остатки L45 / Y45 имеют доступность растворителя ≈35% в обеих складках. В G _A 95 L45 расположен в α3-спирали и не взаимодействует напрямую с F52. Как отмечалось выше, Y45 расположен в β3-цепи G _B 95 и упакован против F52.Ни L45Y, ни A52F мутации не являются катастрофическими в 3-α раза (Таблица 1). В G _A 77 мутация L45Y стоит 1,5 ккал / моль, а мутация A52F стоит всего 0,3 ккал / моль в ΔG _{, разворачивающемся} . Однако мутация Y45L или F52A сильно дестабилизирует 4β + α-кратность. На конечную третичную структуру сильно влияет стабильность структуры шпильки β3-β4. Когда Y45 и F52 встречаются вместе, предпочтение отдается шпильке β3-β4. С точки зрения логических операторов это вентиль И.Другие комбинации 45 и 52 благоприятствуют 3-α. Переключение может быть результатом аддитивных эффектов дестабилизации 3-α-кратности Y45 (-1,5 ккал / моль) и стабилизации 4β + α-кратности при взаимодействии Y45 и F52 (+2 ккал / моль).

По умолчанию склонность изолированной последовательности 9–51 в G _B 98 составляет 3-α. Эффекты коротких N- и C-концевых последовательностей могут преодолевать независимую предрасположенность. Ранее с короткими пептидами было продемонстрировано, что локальные склонности могут быть преодолены с помощью более крупного белкового контекста (20, 21), но здесь склонность независимо стабильного 45-аминокислотного домена преодолевается двумя короткими последовательностями на его концах.Однако важность концов не проявляется до тех пор, пока не разовьется контекст 4β + α складки. Например, N- (1–8) и C- (52–56) концы G _B были заменены на ранних этапах разработки G _A . Изменения нейтральны для стабильности 3-α до тех пор, пока не будет достигнута точка переключения в пространстве мутаций. Однако не следует вообще предполагать, что неструктурированные N- и C-концы нейтральны для стабильности. В более ранней работе мы обнаружили, что замена 8 неструктурированных аминокислот на N-конце другого 3-α белка (стафилококкового белка A) на 8 аминокислот из G _B приводила к потере стабильности на 3 ккал / моль (4).

Важность контекста также проявляется в выборе Y против L в положении 45. В G _A 98 мутация L45Y переключит конформацию на 4β + α. В G _A 91 и G _A 95, где недостаточно контекста для поддержки полного переключения на 4β + α, L45Y вызывает разворачивание. Дестабилизация 3-α может быть результатом стабилизации «неродной» (β3-β4 шпильки) структуры. Это согласуется с общим феноменом сворачивания белков. Изменения стабильности при мутации являются результатом взаимодействий как в нативном, так и в развернутом состоянии (например,г., исх. 22). В этом случае «развернутое» состояние 3-α, вероятно, включает шпильку β3-β4. В общем, эффекты мутации в развернутом состоянии трудно предсказать, поскольку конкретные структурные элементы в развернутом состоянии неизвестны.

В обход развернутого состояния.

Тот факт, что последовательные мутации могут переключать конформационные предпочтения белка, не заселяя развернутое состояние, на первый взгляд кажется парадоксальным. Однако, как только развиваются двойные склонности, наступает критическая точка, и мутации имеют тенденцию заселять альтернативное состояние, а не развернутое состояние.Это крайний случай еще одного хорошо известного явления складчатости. Денатурация с помощью тепла или хаотропного агента, такого как мочевина или Gu-HCl, обычно дает сильно неупорядоченное развернутое состояние, характеризующееся открытыми гидрофобными группами и высокой конформационной энтропией (23). Когда мутация является денатурирующим агентом (вместо тепла или хаотропного растворителя), «развернутое» состояние часто представляет собой ограниченный набор конформаций, характеризующийся высоким содержанием вторичной структуры, хотя обычно не является четко определенной третичной структурой.Сохранение порядка у мутантов с низкой стабильностью согласуется с основными принципами: ( i ) белки коллапсируют в воде в компактные структуры; ( ii ) компактность способствует приобретению вторичной структуры; и ( iii ) окончательные структурные склонности представляют собой тонкое сочетание многих компенсирующих слабых сил. Важным общим моментом является то, что многие дестабилизирующие мутации создают склонность к новым складкам, потому что одни неродные состояния предпочтительнее других.Новая склонность к определенной третичной структуре обычно может быть незаметна в расплавленной популяции, но даже слабая склонность может привести к коротким мутационным путям к стабильным альтернативным топологиям. Развернутые мутанты, такие как L45Y в G _A 91 и G _A 95, не обнаруживают ни 3-α, ни 4β + α складок, но могут содержать определенные структурные элементы каждой. Например, может формироваться структура шпильки β3-β4, но не β1-β2. Этот тип склонности к гибридам может привести к коротким мутационным путям еще до третьего типа складок, если бы мы расширили выбор аминокислот и положений.

Обсуждение

Мы демонстрируем, что сворачивание и функция могут переключаться посредством мутационного пути, при котором функция никогда не теряется и в котором развернутое состояние никогда не заселяется в значительной степени. Переход от связывания IgG, преимущественно 4β + α-кратности, к бифункциональной, преимущественно 3-α-кратной, может происходить посредством одной замены аминокислоты. Переключение было достигнуто, несмотря на ограничения, общие для усилий по инженерии белков: ( i ) определены конечные точки для складки и функции; и ( ii ) экспертиза ограниченного (i.е., двоичное) пространство последовательностей. Природа не имеет заранее определенных пунктов назначения в пространстве складок / функций и не действует в ограниченном пространстве мутаций. Даже в этом случае многочисленные инженерные усилия продемонстрировали способность белков переключать складки. Эта тема была рассмотрена в 2006 г. (2). Есть и естественные примеры свёртывания. Классические примеры основных конформационных изменений включают гемагглютинин вируса гриппа при взаимодействии с клеткой-хозяином (24), серпины при протеолизе петли (25) и прионные белки, которые изменяются с преимущественно α-спиральной доброкачественной формы (PrP ^C ) на инфекционное состояние (PrP ^Sc ) с повышенным содержанием β-листов (26).Другим недавним примером является хемокиновый лимфотактин, который имеет 2 заселенных конформационных состояния в физиологических условиях: каноническая хемокиновая складка (3-цепочечный β-лист и C-концевая α-спираль) в равновесии с димером, полностью состоящим из β-слоев (27). У каждой конформации своя связывающая функция. Кроме того, существуют природные факторы транскрипции Cro с 40% идентичностью, но разные структуры для 25 аминокислот на их С-концах (28).

Большинство примеров естественного и искусственного переключения складок связано с контекстным изменением белкового мономера.Наиболее распространенное изменение контекста — это изменение четвертичной структуры. Например, мутация нескольких остатков ядра в протеине G может привести к переключению со стабильного мономера на стабильный тетрамер со многими нативными вторичными структурными элементами (29). В примере с прионным белком движущей силой для конформационного переключения с мономера на агрегат является обширное взаимодействие краев внешних β-цепей в агрегированном состоянии. Связывание металлов также, как было показано, опосредует основные изменения вторичной, третичной и четвертичной структуры белков, сконструированных с помощью вычислений (30–32).Хотя наши результаты показывают переключение из одной мономерной складки в другую, энергетическая ситуация в некоторых отношениях похожа на переключение конформации, вызванное связыванием лиганда. В нашем случае «связывание» N- и C-концов с образованием центральных нитей β-листа в складке 4β + α является основной энергетической движущей силой для переключателя.

Наша работа также показывает, что скрытая функция связывания может быть связана с альтернативной склонностью к складыванию. Фактически, наш выбор альтернативных складок с высокой идентичностью основывался на миграции от связывания IgG к функции связывания с альбумином (3).Скрытая функциональность, вероятно, существует в природе, но ее трудно различить, потому что альтернативная функция раскрывается только в неизвестной альтернативной складке. Мы предполагаем, что когда скрытая функция существует в доступной альтернативной складке, функциональная миграция вероятна. Мы продемонстрировали в нашей искусственной системе, что нет автоматического наказания, связанного с развивающейся альтернативной склонностью или скрытой функцией. Мы предполагаем, что природа будет исследовать пространство последовательностей, когда за это нет никаких штрафов, то есть природа пойдет по любому функциональному пути.Небольшие изменения в аминокислотной последовательности могут вызвать склонность белка к другой складке, а иногда и переключать складки, что приводит к функциональной миграции. Тот факт, что складка и функция могут переключаться посредством коротких мутационных путей, предполагает, что функциональную аннотацию, основанную на сходстве последовательностей, следует рассматривать осторожно. Даже в этом случае подобная последовательность обычно подразумевает аналогичную структуру. Если в природе происходит переключение складок, после этого последовательности быстро расходятся. Лимфотактин и факторы транскрипции Cro, по-видимому, являются двумя естественными белками, которые, однако, были «пойманы с поличным» (27, 28).

Переключение складок между одними складками более вероятно, чем другим (33). Некоторые конструктивные особенности G _A и G _B делают их пригодными для переключения. Многие остатки ядра в каждой складке в значительной степени подвергаются воздействию растворителя в другой складке, что дает возможность существенной информации об укладке для обеих складок сосуществовать в одном белке. Степень, в которой положения гидрофобного ядра перекрываются в любых 2 произвольных складках одинакового размера, будет широко варьироваться. Это означает, что может быть некоторая предсказуемость относительно того, какие складки могут сблизиться в пространстве последовательности.Учитывая ограниченное количество семейств складок, это наблюдение может дать общее представление о том, как белки мигрируют через пространство складок в процессе эволюции.

Материалы и методы

Мутагенез.

Сайт-специфические мутанты получали с использованием наборов для мутагенеза QuikChange (Stratagene) в соответствии с инструкциями производителя.

Экспрессия и очистка белков.

Варианты

G _A и G _B были клонированы в вектор pG58 (16), который кодирует сконструированную прососледовательность субтилизина как N-концевой домен слияния, и полученные слитые белки очищали с использованием системы тегов аффинного расщепления, которая мы разработали (16), по существу, как описано в ссылке.3. Коммерческая версия системы очистки доступна в Bio-Rad Laboratories (система очистки Profinity eXact). Минимальная среда (14) использовалась для маркировки ¹⁵ N и ¹³ C. Растворимый клеточный экстракт слитого белка продомена (eXact tag) вводили в колонку S189 объемом 5 мл со скоростью 5 мл / мин для связывания, а затем промывали 10 объемами колонки 100 мМ KPO ₄ , pH 7,2 для удаления примесей (16 ). Для расщепления и элюирования очищенного целевого белка 6 мл 10 мМ азида натрия, 100 мМ KPO ₄ , pH 7.2 вводили со скоростью 0,5 мл / мин. Очищенный белок затем концентрировали до 0,2-0,3 мМ, как требуется для анализа ЯМР. В этих условиях все белки являются мономерными. Это было продемонстрировано с помощью гель-фильтрации с встроенным детектором многоуглового лазерного светорассеяния (miniDAWN TREOS; Wyatt Technology).

Связывание с IgG и HSA.

IgG и HSA были иммобилизованы на колонках GE HT1, содержащих NHS-активированную агарозную смолу, в соответствии с инструкциями производителя.Связывание мутантов проводили в 0,1 М KPO ₄ , pH 7,2, вводя 1 мл раствора 1 мг / мл со скоростью 0,5 мл / мин. Промывка осуществлялась 15 мл 0,1 М KPO ₄ , pH 7,2 при 1 мл / мин. Элюирование проводили 6 мл 0,1 М фосфорной кислоты.

ЯМР-спектроскопия.

¹⁵ N- и ¹³ C / ¹⁵ N-меченные образцы были приготовлены при концентрациях 0,2–0,3 мМ в 100 мМ буфере KPO ₄ (pH 7,2), содержащем 10 мМ азида натрия и 5–10% Д ₂ О.Спектры ЯМР получали на спектрометре Bruker AVANCE 600 МГц, оснащенном криозондом тройного резонанса z ¹ H / ¹³ C / ¹⁵ N. Спектры записывали при 15 ° C для G _A 95 и 20 ° C для G _B 95. Для обработки данных использовали NmrPipe (34), а анализ выполняли с помощью Sparky (35). Стандартные эксперименты с тройным резонансом были использованы для получения значений ЯМР. Отнесение основных цепей было сделано из спектров HNCACB, CBCA (CO) NH, HBHA (CO) NH и HNCO, тогда как боковые цепи были отнесены к 3D (H) C (CO) NH-TOCSY, 3D H (CCO) NH-TOCSY. , 2D CBHD и 2D CBHE эксперименты.Информация о межпротонном расстоянии была получена из спектров 3D ¹⁵ N NOESY и алифатических и ароматических 3D ¹³ C NOESY с временами смешивания 100 и 150 мс. Для получения дополнительной информации см. SI Text .

Благодарности

Мы благодарим Дэвида Шортла и Джорджа Роуза за полезное обсуждение; Ян Шен, Дэвид Бейкер и Ад Бакс за предоставление результатов вычислительного анализа перед публикацией; и Джейн Ладнер за анализ рассеяния лазерного света.Работа поддержана грантом GM62154 Национальных институтов здравоохранения.

Сноски

• ¹ Кому следует направлять корреспонденцию. Эл. Почта: bryan {at} umbi.umd.edu

• Вклад авторов: P.A.A., Y.H., J.O., and P.N.B. спланированное исследование; P.A.A., Y.H., Y.C., J.O. и P.N.B. проведенное исследование; P.A.A., Y.H., J.O. и P.N.B. проанализированные данные; и П.Н.Б. написал газету.

• Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

• Эта статья представляет собой прямое представление PNAS.

• См. Комментарий на странице 21011.

• Эта статья содержит вспомогательную информацию на сайте www.pnas.org/cgi/content/full/0_{8106/DCSupplemental.}

• Свободно доступен онлайн через опцию открытого доступа PNAS.

Белки: структура, функция и типы

Структура белка

Белки состоят из аминокислот или органических соединений, которые связаны друг с другом пептидными связями.В организме человека содержится 21 аминокислота. Различные комбинации этих аминокислот составляют все белки, о которых вы только можете подумать, от фибрина , , который образует струпья на порезанном пальце, до белка, который позволяет гремучим змеям определять температуру тела.

Хотя аминокислоты отличаются друг от друга, они имеют некоторые общие характеристики, такие как:

• Аминогруппа
• Карбоксильная группа
• Уникальная боковая цепь, которая часто обозначается как R

Карбоксильная группа представляет собой углерод, который связан двойной связью с кислородом, а также с атомом кислорода и водорода.Аминогруппа представляет собой атом азота, связанный с двумя атомами водорода. Прежде чем мы продолжим, посмотрите на структуру аминокислоты.

Каждая аминокислота определяется своей уникальной R-группой. На диаграмме ниже вместо буквы «R» прописаны молекулы. Посмотрите, сможете ли вы найти группы, которые делают аминокислоту аминокислотой.

Уникальная R-группа придает аминокислотам их уникальные характеристики.Например, некоторые из них растворимы в воде, а другие — нет. Некоторые из них нейтральны, а другие имеют положительный или отрицательный заряд.

Помните, как мы говорили, что белок образуется, когда аминокислоты соединяются вместе в связь пептид ? Пептидные связи образуются, когда карбоксильная группа одной молекулы объединяется с аминогруппой другой молекулы с высвобождением молекулы воды. Группы связанных вместе аминокислот известны как полипептиды , и все белки являются полипептидами, как и Пит.Когда аминокислоты соединяются посредством пептидных связей с образованием полипептидов, происходит полимеризация .

Первичная, вторичная, третичная и четвертичная структура

Теперь, когда мы знаем, как Пит выглядит и как он работает, давайте посмотрим на его структуру. Подумайте о первичных, вторичных, третичных и четвертичных структурах как о разных способах взглянуть на белки. Например, подумайте о первичной структуре как о одномерном проекте, а о четвертичной как о фактической структуре.

Первичная структура относится к порядку аминокислот, составляющих белок. Аминокислоты сокращены, поэтому первичной структурой будет список сокращенных аминокислот.

Далее идет вторичная структура , которая показывает, как аминокислоты изгибаются и сворачиваются. Это происходит в результате связи, которая образуется между аминокислотными группами, в частности, связей между N-H и C = O.

Третичная структура относится к трехмерной структуре белка или к тому, как складывается вторичная структура. Четвертичные структуры образуются из нескольких полипептидных цепей и описывает, как эти цепи связаны.

Резюме урока

Белки можно найти во многих важных частях вашего тела, например, в мышцах; они также отвечают за выработку антител и гормонов.Они состоят из аминокислот , которые связаны между собой посредством пептидных связей с образованием полипептидов . Помните, что все белки — это полипептиды. Аминокислоты включают аминогруппу и карбоксильную группу; их уникальные свойства берут начало в их R-группах.

При изучении структуры белка важно отметить различия, обнаруженные между первичными, вторичными, третичными и четвертичными структурами, которые представляют собой все способы взглянуть на белок. Первичная структура определяет порядок аминокислот, в то время как вторичная структура смотрит на то, как аминокислоты изгибаются и сворачиваются.Третичная структура описывает, как вторичная структура складывается вместе. Наконец, четвертичная структура смотрит на то, как несколько полипептидных цепей соединяются вместе.

Устройство и функции

Структура макромолекул определяет функцию и регуляцию

Студенты должны уметь объяснять и применять основные концепции макромолекулярной структуры и функции, включая природу биологических макромолекул, их взаимодействие с водой, взаимосвязь между структурой и функцией, а также часто встречающиеся механизмы регулирования их функции.

Цели обучения, приведенные ниже, подразделяются на вводные A, промежуточные B и верхние C.

1. Биологические макромолекулы большие и сложные

Макромолекулы состоят из основных молекулярных единиц. Они включают белки (полимеры аминокислот), нуклеиновые кислоты (полимеры нуклеотидов), углеводы (полимеры сахаров) и липиды (с различными модульными составляющими). Биосинтез и разложение биологических макромолекул включает линейную полимеризацию, стадии разрушения (белки, нуклеиновые кислоты и липиды), а также могут включать разветвление / разветвление (углеводы).Эти процессы могут включать мультибелковые комплексы (например, рибосомы, протеасомы) со сложной регуляцией.

Ассоциированные цели обучения

• Учащиеся должны уметь обсуждать разнообразие и сложность различных биологически значимых макромолекул и макромолекулярных ансамблей с точки зрения эволюционной пригодности. A
• Учащиеся должны уметь описывать основные единицы макромолекул и типы связей между ними. A
• Студенты должны уметь сравнивать и противопоставлять процессы, участвующие в биосинтезе основных типов макромолекул (белков, нуклеиновых кислот и углеводов).B
• Учащиеся должны уметь сравнивать и противопоставлять процессы, участвующие в деградации основных типов макромолекул (белков, нуклеиновых кислот и углеводов).
• Студенты должны понимать, что белки состоят из доменов, и уметь обсуждать, как семейства белков возникают в результате дублирования первичного гена. C

2. Структура определяется несколькими факторами

Ковалентные и нековалентные связи определяют трехмерные структуры белков и нуклеиновых кислот, влияющие на их функцию.Аминокислотные последовательности, наблюдаемые в природе, тщательно отбираются по биологической функции, но не обязательно имеют уникальную складчатую структуру. Структура (и, следовательно, функция) макромолекул регулируется основополагающими принципами химии, такими как ковалентные связи и полярность, вращения и колебания связей, нековалентные взаимодействия, гидрофобный эффект и динамические аспекты молекулярной структуры. Последовательность (и, следовательно, структура и функция) белков и нуклеиновых кислот могут быть изменены путем альтернативного сплайсинга, мутации или химической модификации.Последовательности (и, следовательно, структура и функция) макромолекул могут развиваться, создавая измененные или новые биологические активности.

Ассоциированные цели обучения

• Учащиеся должны уметь распознавать повторяющиеся единицы в биологических макромолекулах и уметь обсуждать структурные воздействия вовлеченных ковалентных и нековалентных взаимодействий. A
• Учащиеся должны уметь обсуждать состав, эволюционные изменения и, следовательно, структурное разнообразие различных типов биологических макромолекул, обнаруженных в организмах.A
• Студенты должны уметь обсуждать химические и физические отношения между составом и структурой макромолекул. A
• Студенты должны уметь сравнивать и противопоставлять первичные, вторичные, третичные и четвертичные структуры белков и нуклеиновых кислот. B
• Студенты должны уметь использовать различные подходы биоинформатики для анализа первичной последовательности и структуры макромолекул. B
• Учащиеся должны уметь сравнивать и противопоставлять эффекты химической модификации конкретных аминокислот на трехмерной структуре белка.B
• Учащиеся должны уметь сравнивать и противопоставлять способы, которыми конкретная макромолекула может принимать новые функции в результате эволюционных изменений. B
• Студенты должны уметь использовать различные биоинформатические и вычислительные подходы для сравнения первичных последовательностей и определения влияния сохранения и / или эволюционных изменений на структуру и функцию макромолекул. C
• Учащиеся должны уметь предсказывать влияние мутаций на активность, структуру или стабильность белка и разрабатывать соответствующие эксперименты для оценки эффектов мутаций.C
• Студенты должны уметь предлагать подходящие химические или химические биологические подходы для изучения локализации и взаимодействия биологических макромолекул. C
• Учащиеся должны уметь обсуждать, как мутации дублированного гена создают функциональное разнообразие. C
• Студенты должны уметь оценивать химический и энергетический вклад в соответствующие уровни структуры макромолекулы и предсказывать влияние конкретных изменений структуры на динамические свойства молекулы.C

3. Структура и функции взаимосвязаны

Макромолекулы взаимодействуют с другими молекулами, используя множество нековалентных взаимодействий. Специфичность и сродство этих взаимодействий имеют решающее значение для биологической функции. Некоторые макромолекулы катализируют химические реакции или способствуют физическим процессам (например, молекулярному переносу), позволяя им протекать в условиях окружающей среды. Эти процессы могут быть количественно описаны с помощью законов скорости и термодинамических принципов (например,грамм. теория столкновений, теория переходного состояния, законы скорости и равновесия, эффекты температуры и структуры и химической реакционной способности, закон Кулона, законы движения Ньютона, энергия и стабильность, трение, диффузия, термодинамика и концепция случайности и вероятности).

Ассоциированные цели обучения

• Учащиеся должны уметь использовать механистические рассуждения, чтобы объяснить, как фермент или рибозим катализирует определенную реакцию. A
• Студенты должны уметь обсуждать основы различных типов ферментативных механизмов.A
• Студенты должны уметь рассчитывать ферментативные уровни и сравнивать их, а также соотносить эти показатели с гомеостазом клеток или организма. B
• Студенты должны уметь обсуждать различные методы, которые могут использоваться для определения сродства и стехиометрии комплекса лиганд-макромолекула, и соотносить результаты как с термодинамическими, так и с кинетическими данными. B
• Студенты должны уметь критически оценивать вклад в специфичность в комплексе лиганд-макромолекула и планировать эксперименты, чтобы как оценивать вклад в специфичность, так и проверять гипотезы о специфичности лиганда в комплексе.C
• Учащиеся должны уметь предсказывать биологические и химические эффекты мутации или структурных изменений лиганда на аффинность связывания и планировать соответствующие эксперименты для проверки своих прогнозов. C

4. Макромолекулярные взаимодействия

Взаимодействия между макромолекулами и другими молекулами основаны на тех же слабых нековалентных взаимодействиях, которые играют главную роль в стабилизации трехмерных структур самих макромолекул.Важны гидрофобный эффект, ионные взаимодействия и взаимодействия водородных связей. Структурная организация взаимодействующих химических групп в сайте связывания или активном сайте придает этим взаимодействиям высокую степень специфичности. Специфичность и сродство этих взаимодействий имеют решающее значение для биологической функции.

Ассоциированные цели обучения

• Учащиеся должны уметь обсуждать влияние изменений специфичности или аффинности на биологическую функцию и любое возможное влияние на эволюцию.A
• Студенты должны уметь обсуждать различные методы, которые можно использовать для определения сродства и стехиометрии для комплекса лиганд-макромолекула, и соотносить результаты как с термодинамическими, так и с кинетическими данными. B
• Учащиеся должны уметь обсуждать взаимодействия между различными биологическими молекулами (включая белки, нуклеиновые кислоты, липиды, углеводы, мелкие органические вещества и т. Д.) И описывать, как эти взаимодействия влияют на специфичность или сродство, приводя к изменениям биологической функции.B
• Учащиеся должны уметь предсказывать эффекты мутации или структурных изменений лиганда на аффинность связывания и планировать соответствующие эксперименты для проверки своих прогнозов. C
• Студенты должны уметь обсуждать взаимосвязь между температурой, необходимой для денатурации (Tm), и структурой макромолекул. C

5. Структура макромолекул динамическая

Макромолекулярная структура динамична в широком диапазоне временных масштабов, и динамические структурные изменения, большие и малые, часто имеют решающее значение для биологической функции.Небольшие изменения могут проявляться в виде локализованных молекулярных колебаний, которые могут облегчить доступ малых молекул к внутренним частям макромолекулы. Большие конформационные изменения могут происходить в виде движений различных макромолекулярных доменов относительно друг друга, чтобы облегчить катализ или другие формы работы. Белки могут содержать внутренне неструктурированные домены. Отсутствие структуры в растворе может способствовать функции, при которой взаимодействия должны происходить беспорядочно с несколькими другими молекулами.Динамическая структура макромолекул делает возможными быстрые изменения, влияющие на гомеостаз биохимических и молекулярно-биологических процессов.

Ассоциированные цели обучения

• Учащиеся должны уметь обсуждать временные масштабы различных конформационных эффектов в биологических макромолекулах А и планировать соответствующие эксперименты для исследования изменений конформации и динамики, вызванных лигандом. C
• Учащиеся должны уметь обсуждать структурную основу динамических свойств макромолекул и предсказывать эффекты изменений динамических свойств A, которые могут возникнуть в результате изменения первичной последовательности.C
• Учащиеся должны уметь предсказать, упорядочена или неупорядочена последовательность C, и обсудить потенциальные роли неупорядоченных областей белков. B
• Студенты должны уметь критически обсуждать доказательства за и против роли динамики в функции макромолекул. C

6. Биологическая активность макромолекул часто регулируется

Биологическая активность макромолекул часто регулируется одним или несколькими иерархическими способами (например,грамм. ингибиторы, активаторы, модификаторы, синтез, разложение и компартментализация).

Ассоциированные цели обучения

• Учащиеся должны уметь сравнивать и противопоставлять различные механизмы регуляции функции макромолекулы или ферментативной реакции или пути. A
• Студенты должны уметь аллостерически обсуждать преимущества и недостатки регулирования реакции. B
• Студенты должны уметь обсуждать примеры аллостерической регуляции, ковалентной регуляции и изменений на уровне генов макромолекулярной структуры-функции.B
• Студенты должны использовать экспериментальные данные для оценки типа регуляции в ответ на гомотропные или гетеротропные лиганды на макромолекуле. C
• Учащиеся должны уметь создавать модели, объясняющие регуляцию структуры-функции макромолекул. C
• Учащиеся должны уметь описывать, как эволюция повлияла на регуляцию макромолекул и процессов. C
• Студенты должны уметь описывать, как изменения клеточного гомеостаза влияют на сигнальные и регуляторные молекулы и промежуточные продукты метаболизма.C

7. Структура (и, следовательно, функция) макромолекул регулируется основополагающими принципами химии и физики

Структура (и, следовательно, функция) макромолекул регулируется основополагающими принципами химии (включая ковалентные связи и полярность; вращения и колебания связей; водородные связи и нековалентные взаимодействия; гидрофобный эффект; динамические аспекты молекулярной структуры; теория столкновений ; теория переходного состояния; законы скорости и равновесия; эффекты температуры и структуры и химической реактивности) и физика (включая закон Кулона; законы движения Ньютона; энергия и стабильность; трение; диффузия; термодинамика; а также концепция случайности и вероятности). .

Ассоциированные цели обучения

• Учащиеся должны уметь связывать основные принципы законов скорости и равновесия с реакциями и взаимодействиями и вычислять соответствующие термодинамические параметры для реакций и взаимодействий. A
• Студенты должны быть в состоянии объяснить, как лиганд, введенный в раствор, содержащий макромолекулу, с которой он может связываться, взаимодействует с макромолекулой. A
• Учащиеся должны уметь объяснять, используя основные принципы, влияние температуры на реакцию, катализируемую ферментами.B
• Учащиеся должны уметь обсуждать динамические свойства макромолекул, используя фундаментальные принципы физики. B

8. Для наблюдения и количественного измерения структуры, динамики и функций биологических макромолекул могут использоваться различные экспериментальные и вычислительные подходы

Для наблюдения и количественного измерения структуры, динамики и функции биологических макромолекул можно использовать различные экспериментальные и вычислительные подходы.Уравнения можно выводить из моделей и использовать для прогнозирования результатов или анализа данных. Данные можно анализировать статистически, чтобы оценить правильность модели и надежность данных.

Ассоциированные цели обучения

• Учащиеся должны уметь предложить схему очистки для конкретной молекулы в смеси с учетом биофизических свойств различных молекул в смеси. B
• Студенты должны уметь либо предлагать эксперименты, которые определяют четвертичную структуру молекулы, либо уметь интерпретировать данные, относящиеся к третичной и четвертичной структуре молекул.B
• Студенты должны быть в состоянии объяснить, как вычислительные подходы могут использоваться для изучения взаимодействий белок-лиганд, и обсудить, как результаты таких вычислений могут быть исследованы экспериментально. C
• Студенты должны иметь возможность сравнивать и противопоставлять доступные вычислительные подходы, чтобы предложить трехмерную структуру макромолекулы, и обсудить, как предложенная структура может быть подтверждена экспериментально. C
• Учащиеся должны уметь анализировать кинетические или связывающие данные для получения соответствующих параметров и оценки достоверности модели, используемой для описания явления.C

Функции, структура, свойства и классификация

Давайте углубимся в изучение белков. Прочитав эту статью, вы узнаете о: 1. Функции белков 2. Структуры белков 3. Свойства белков и 4. Классификация белков.

Белки — это азотистые органические соединения с высокой молекулярной массой, которые играют жизненно важную или первостепенную роль в живых организмах.Они состоят из 20 стандартных α-аминокислот.

Функции белков:

Основными функциями белков в организме человека являются:

1. Они служат единицами построения тела, например, мышечными белками.

2. Они обеспечивают поддержку и защиту различных тканей, например, коллагена и кератина.

3. Все химические реакции в организме катализируются белковыми ферментами, например трипсином.

4. Они переносят различные молекулы и ионы от одного органа к другому, например.г., гемоглобин, сывороточный альбумин.

5. Они хранят и обеспечивают питательные вещества, например, молочный казеин, яичный альбумин.

6. Они защищают организм от вредных чужеродных организмов, например, иммуноглобулина, фибриногена.

7. Они помогают регулировать клеточную или физиологическую активность, например, гормоны, а именно инсулин, GH.

Структуры белков:

Первичная структура белков :

Первичная структура белков относится к общему количеству аминокислот и их последовательности в данном конкретном белке.

Фиксированное количество аминокислот расположено в определенной последовательности. Последовательность аминокислот в белке определяет его биологическую роль. У разных белков разные последовательности. Следовательно, изучение общего числа и последовательности аминокислот в белке — это изучение его первичной структуры.

Первичная структура отличает нормальный белок от ненормального. Нормальный гемоглобин взрослого человека (HbA) состоит из 2 α-цепей и 2 β-цепей. Каждая α-цепь содержит 141 аминокислоту, а каждая β-цепь содержит 146 аминокислот, расположенных в определенной последовательности.Любое изменение последовательности приводит к аномальному гемоглобину. Как и в серповидно-клеточном гемоглобине (HbS), аминокислота валин присутствует в 6-м положении Р-цепи вместо глутаминовой кислоты в нормальном гемоглобине.

Вторичная структура белков :

Это относится к скручиванию полипептидной цепи в спиральную форму.

Найдено три типа винтовых структур:

(а) Альфа спираль

(б) Бета плиссе и

(c) Реверс.

1. Альфа-спираль:

α означает, что первая, а описанная ниже структура была первой среди обнаруженных спиральных структур, поэтому известна как альфа (α) спираль.

Основные особенности этой структуры:

и. Здесь полипептид скручен или свернут, образуя правую спиральную структуру.

ii. Расстояние между каждым витком катушки 5,4 Å.

iii. Их 3.6 аминокислот на ход.

iv. Видно, что группы «R» выступают из спирали.

v. Имеются внутрицепочечные водородные связи, при которых водород группы -NH соединяется с кислородом группы -CO 4-й аминокислоты, стоящей за ним. Таким образом, каждая пептидная группа участвует в образовании водородных связей.

vi. Этот тип структуры встречается во многих белках в сочетании с другими структурами. Чистая а-спиральная структура наблюдается в белке волос, то есть в кератине.

2.Бета плиссе:

β означает второе, а описанная ниже структура была вторым открытием после α спирали.

Основные особенности этой структуры:

и. Цепочка здесь не спиральная, а зигзагообразная.

ii. Расстояние между каждым витком — 7 Å.

iii. Полипептидные цепи расположены рядом в виде складок.

iv. Между цепями существует межцепочечная водородная связь, и каждая пептидная группа участвует в водородной связи.

Цепи антипараллельны друг другу.

3. Реверс:

Складывается в обратном направлении цепи.

Третичная структура белков :

Спиральная форма полипептида складывается в сферическую, глобулярную, эллипсоидальную или другую конформацию, которая называется третичной структурой белков. Это сворачивание необходимо для биологической активности белков. например, ферменты, иммуноглобулины.

Третичная конформация поддерживается четырьмя типами связей:

1. Водородные связи:

Образуется между водородом и электроотрицательным атомом, таким как кислород или азот, в группе «R» аминокислот.

2. Ионные взаимодействия:

Образуется между кислотными (глутаминовая и аспарагиновая) и основными (аргинин, лизин или гистидин) аминокислотами.

3. Дисульфидные связи:

Это прочная связь, образованная между сульфагидрильными группами двух аминокислот цистеина.Образовавшаяся димерная структура известна как цистин (аминокислота, содержащаяся только в белках, а не в свободной форме).

4. Гидрофобные взаимодействия:

Группы «R» гидрофобных аминокислот объединяются вместе в центре вдали от воды, тем самым развивая силу притяжения между каждой группой «R» и силу отталкивания от воды, и эти взаимодействия известны как гидрофобные взаимодействия.

Четвертичная структура белков:

Четвертичная структура представлена ​​олигомерными белками.

Олигомерные белки:

— это те, которые имеют две или более полипептидных цепей.

Четвертичная структура относится к типу расположения полипептидов в олигомерном белке. Эти полипептиды удерживаются вместе водородными связями, ионными связями или силами Вандер-Ваальса, например, гемоглобин имеет четыре полипептидные цепи, которые расположены определенным образом, что относится к четвертичной структуре гемоглобина.

Четвертичная структура гемоглобина описывает, что он состоит из четырех полипептидных цепей; два из которых — α (α ₁ и α ₂ ), а два других — β (β ₁ и β ₂ ).Две альфа-цепи противоположны друг другу и примыкают к каждой -цепи. Цепи α и β связаны между собой солевыми мостиками.

Взаимосвязь структурных функций в белках:

Гемоглобин играет жизненно важную роль в транспортировке кислорода от легких к периферическим тканям и транспортировке углекислого газа из тканей в легкие.

Существует три типа нормального гемоглобина со следующими полипептидами:

(1) Гемоглобин взрослых (Hb A) имеет 2α2β цепи.

(2) Гемоглобин плода (Hb F) имеет 2α2γ цепи.

(3) Незначительный взрослый гемоглобин (Hb A ₁ ) имеет 2α2δ цепи.

Число аминокислот в α-цепях составляет 141 аминокислоту, а в других цепях, то есть β, γ и δ цепи содержат 146 аминокислот. Эти цепи различаются на основании разницы в последовательности расположения аминокислот в цепях. Четвертичная структура гемоглобина создает полость между тетрамером, в которой присутствует 2, 3, дифосфоглицерат (DPG или BPG), образующий солевой мостик с аминоконцом β-цепи, который стабилизирует гемоглобин, тем самым снижая сродство к кислороду.

В легких парциальное давление кислорода высокое, что приводит к связыванию O ₂ с одной из цепей Hb, тем самым разрывая солевые мостики между четырьмя субъединицами. Последующее связывание кислорода (сигмовидная кривая ассоциации Hb-O ₉ ) облегчается за счет разрыва солевых мостиков, изменяющих вторичные, третичные и четвертичные структуры, что позволяет вращать одну субъединицу α / β относительно другой цепи α / β, тем самым сжимая тетрамер и выпуск ДПГ.Это приводит к увеличению его сродства к кислороду (R-состояние Hb).

В периферических тканях CO ₂ связывается с a-аминогруппой аминоконца с его преобразованием из положительного в отрицательный заряд, что способствует образованию солевого мостика между полипептидными цепями с возвратом в дезокси-состояние (Т-состояние), т.е. высвобождение кислорода из Hb. Высвобождению O ₂ из Hb также способствует связывание DPG с тетрамером.

Когда человек взлетает в полет, самолет медленно поднимается по высоте, что приводит к снижению напряжения O ₂ , из-за чего оксигенация Hb невозможна.Таким образом, человек чувствует гипоксию, но физиологический механизм организма начинает снижать выработку DPG, благодаря чему Hb может связывать кислород даже при более низком давлении кислорода.

Следовательно, когда самолет достигает максимальной высоты и остается устойчивым, человек чувствует себя комфортно. Когда Hb достигает тканей, уровень DPG увеличивается, увеличивая выделение кислорода. Точно так же описанный выше процесс меняется на противоположный, когда человек ныряет глубоко в море. Высокое давление O ₂ приводит к увеличению выработки DPG, способствуя оксигенации Hb в легких и дезоксигенированию периферических тканей.

Свойства белков:

1. Денатурация:

Частичное или полное разворачивание нативной (природной) конформации полипептидной цепи известно как денатурация. Это вызывается теплом, кислотами, щелочами, спиртом, ацетоном, мочевиной, бета-меркаптоэтанолом.

2. Коагуляция:

Когда белки денатурируются под действием тепла, они образуют нерастворимые агрегаты, известные как коагулят. Все белки не коагулируются при нагревании, только некоторые из них, такие как альбумины, глобулины способны коагулироваться при нагревании.

3. Изоэлектрический pH (pH ¹ ):

pH, при котором белок имеет равное количество положительных и отрицательных зарядов, известен как изоэлектрический pH. Под воздействием электрического поля белки не перемещаются ни к аноду, ни к катоду, поэтому это свойство используется для выделения белков. Белки становятся наименее растворимыми при pH ^– и осаждаются. Показатель pH ^I казеина составляет 4,5, и при этом pH казеина в кислом молоке, образующем творог.

4. Молекулярная масса белков:

Средняя молекулярная масса аминокислоты принята равной 110. Общее количество аминокислот в белке, умноженное на 110, дает приблизительную молекулярную массу этого белка. Различные белки имеют разный аминокислотный состав и, следовательно, их молекулярные массы различаются. Молекулярные массы белков колеблются от 5000 до 10 ⁹ Дальтон. Экспериментально молекулярную массу можно определить такими методами, как гель-фильтрация, PAGE, ультрацентрифугирование или измерения вязкости.

Классификация белков :

Белки классифицируются на основании:

(1) Их растворимость и

(2) Их структурная сложность.

A. Классификация на основе растворимости:

По растворимости в воде белки подразделяются на:

1. Волокнистые белки:

Нерастворимы в воде. В их состав входят структурные белки.У них есть поддерживающая функция (например, коллаген) и / или защитная функция (например, кератин и фибрин волос).

2. Глобулярные белки:

Они растворимы в воде. Они включают функциональные белки, например, ферменты, гемоглобин и т. Д.

B. Классификация на основе структурной сложности:

В зависимости от сложности конструкции они делятся на:

(1) Простой

(2) Конъюгированные и

(3) Производные белки.

1. Простые белки:

Белки, состоящие только из аминокислот, известны как простые белки.

Далее они подразделяются на:

(а) Альбумины:

Они растворимы в воде, коагулируются при нагревании и осаждаются при полном насыщении сульфатом аммония, например, сывороточным альбумином, лактальбумином и яичным альбумином.

(б) Глобулины:

Они нерастворимы в воде, но растворимы в разбавленных солевых растворах.Они коагулируются при нагревании и выпадают в осадок при полунасыщении сульфатом аммония, например глобулином сыворотки и овоглобулином.

(c) Глютелины:

Они не растворимы в воде и нейтральных растворителях. Растворим в разбавленных кислотах и ​​щелочах. Они коагулируют под действием тепла, например глютелин пшеницы.

(d) Проламины:

Нерастворим в воде, но растворим в 70% спирте, например, в глиадине пшеницы, белках кукурузы, ячменя и т. Д.

(e) Истории:

Водорастворимый, основной по своей природе из-за присутствия в ядре аргинина и лизина. Они помогают в упаковке ДНК в клетке. Они образуют белковый фрагмент нуклеопротеина.

(f) Протамины:

Водорастворимый, основной по своей природе, не подвергается тепловой коагуляции. Находится в сперматозоидах, следовательно, является компонентом нуклеопротеина сперматозоидов.

(г) Глобина:

Они растворимы в воде, не подвергаются тепловой коагуляции.например, глобин гемоглобина.

(h) Альбуминоиды или склеропротеины:

Нерастворимо во всех нейтральных растворителях, разбавленных кислотах или щелочах, например, в кератине волос и протеинах костей и хрящей.

2. Конъюгированные белки:

Белки, состоящие из аминокислот и не аминокислотного / белкового вещества, называемого простетической группой, известны как конъюгированные белки.

Различные типы конъюгированных белков:

(а) Хромобелки:

Здесь небелковая часть представляет собой окрашенное соединение в дополнение к белковой части.Бывший. Гемоглобин имеет гем в качестве простетической группы, а цитохромы также содержат гем.

(б) Нуклеопротеины:

Эти белки связаны с нуклеиновыми кислотами, например с хроматином (гистоны + нуклеиновые кислоты).

(c) Гликопротеины:

Когда небольшое количество углеводов присоединяется к белку, он известен как гликопротеины, например, муцин слюны. (Примечание: гликопротеины содержат большое количество белка и некоторое количество углеводов, а протеогликаны содержат большое количество углеводов и небольшое количество белков).

(d) Pbosphoprotein:

Фосфорная кислота присутствует в белке. Бывший. Молочный казеин и яичный желток (желтеллин).

(e) Липопротеины:

Белки в сочетании с липидами, например, ЛПНП, ЛПВП.

(е) Металлопротеины:

В дополнение к аминокислотам они содержат ионы металлов, например, гемоглобин (железо), церулоплазмин (медь).

3. Производные белки:

Это белки с низким молекулярным весом, полученные из белков с большим молекулярным весом под действием тепла, ферментов или химических агентов.

Белки → Белки → Протеозы → Пептоны → Пептиды → Аминокислоты

Влияние генетической изменчивости на трехмерную структуру и функцию белков

Abstract

Банк данных по белкам (PDB; http://wwpdb.org) был основан в 1971 году как первый ресурс цифровых данных открытого доступа по биологии с семью белковыми структурами в качестве начальных запасов.Глобальный архив PDB в настоящее время содержит более 126 000 экспериментально определенных трехмерных (3D) структур атомарного уровня биологических макромолекул (белков, ДНК, РНК), все из которых находятся в свободном доступе через Интернет. Знание трехмерной структуры продукта гена может помочь понять его функцию и роль в заболевании. Особый интерес в архиве PDB представляют белки, для которых определены трехмерные структуры генетических вариантов белков, что позволяет выявить структурные различия на атомном уровне, вызванные вариациями на уровне ДНК.Здесь мы представляем систематический и качественный анализ таких случаев. Мы наблюдаем широкий спектр структурных и функциональных изменений, вызванных различиями отдельных аминокислот, включая изменения активности ферментов, склонности к агрегации, структурной стабильности, связывания и диссоциации, некоторые в контексте больших сборок. Структурное сравнение белков дикого типа и мутировавших белков, когда доступны оба, дает представление о структурных различиях на атомном уровне, вызванных генетической изменчивостью.