Структура и пространственная организация белковых молекул. Супервторичные структуры и домены

РЕФЕРАТ Структура и пространственная организация белковых молекул. Супервторичные структуры и домены План 1. Введение 2. Пространственная организация белковой молекулы 3. Первичная структура белка 4. Вторичная структура белка 5. Супервторичные структуры белка  6. Домены 7. Третичная структура белка 8. Четвертичная структура белка 9. Вывод 10. Используемая литература Введение Белки   ­   неотъемлемые   компоненты   любой   живой   клетки,   которые обеспечивают   и   поддерживают   ее   жизнедеятельность.   Молекулы   белков представляют собой биополимеры, построенные в основном из аминокислот. Кроме   аминокислот   в   состав   белковых   молекул   могут   входить   другие органические   и   неорганические   компоненты.   В   белках   содержится  50­55% углерода, 20­24% кислорода, 7% водорода, 0,5­3% серы; в состав некоторых белков могут также входить фосфор и различные металлы. Огромное   структурное   разнообразие   белков   и   широкий   диапазон изменения   их   физико­химических   свойств   позволяют   этим   биополимерам выполнять разнообразные и жизненно важные функции в живом организме. БЕЛКИ или ПРОТЕИНЫ ­ это высокомолекулярные азотсодержащие органические   вещества,   структурным компонентом   которых   являются   аминокислоты,   связанные   пептидными   линейные   гетерополимеры, связями. Пространственная организация белковой молекулы В   основе   каждого   белка   лежит   полипептидная   цепь.   Она   не   просто вытянута в пространстве, а организована в трехмерную структуру. Поэтому существует   понятие   о 4­х  уровнях   пространственной   организации   белка,  а именно   ­   первичной,   вторичной,   третичной   и   четвертичной   структурах белковых молекул. 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,   NH2­группу,   этот   участок обозначается   как N–конец.   На   противоположной   стороне   располагается свободная, не участвующая в образовании пептидной связи, НООС­группа, это – С­конец. За начало цепи принимается N­конец, 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.1). Рис. 1. 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:   ­структура   (или   складчатый   слой).   В белках   могут   присутствовать   также   участки   полипептидной   цепи,   не α ­спираль   и   β образующие вторичную структуру. Альфа­спираль  ­   имеет   определенные   характеристики:   ширину, расстояние   между   двумя   витками   спирали.   Для   белков   характерна правозакрученная   спираль.   В   этой   спирали   на   10   витков   приходится   36 аминокислотных остатков. У всех пептидов, уложенных в такую спираль, эта спираль   абсолютно   одинакова.   Фиксируется   альфа­спираль   с   помощью водородных   связей   между   NH­группами   одного   витка   спирали   и   С=О группами соседнего витка. Эти водородные связи расположены параллельно оси   спирали   и   многократно   повторяются,   поэтому   прочно   удерживают спиралеобразную   структуру.   Более   того,   удерживают   в   несколько напряженном состоянии (как сжатую пружину). Спираль­клубок.  Содержание   a   ­спиралей   в   белках   неодинаково   и является   индивидуальной   особенностью   каждой   белковой   макромолекулы. Для некоторых белков, например для миоглобина, a ­спираль лежит в основе структуры,   другие,   например   химотрипсин,   не   имеют   a   ­спирализованных участков. В среднем глобулярные белки имеют степень спирализации порядка 60­70%.   Спирализованные   участки   чередуются   с   хаотическими   клубками, причем в результате денатурации переходы спираль­клубок увеличиваются. Спирализация полипептидной цепи зависит от аминокислотных остатков, ее образующих. Так, отрицательно заряженные группы глутаминовой кислоты, расположенные   в   непосредственной   близости   друг   от   друга,   испытывают   что   препятствует   образованию сильное   взаимное   отталкивание, соответствующих   водородных   связей   в   a   ­   спирали.   По   той   же   причине спирализация   цепи   затруднена   в   результате   отталкивания   близко расположенных   положительно   заряженных   химических   группировок   лизина или   аргинина.   Большие   размеры   радикалов   аминокислот   также   являются причиной, по которой спирализация полипептидной цепи затруднена (серии, треонин,   лейцин).   Наиболее   часто   интерферирующим   фактором   при образовании   a   ­спирали   является   аминокислота   пролин.   Как   известно,   в пролине   атом   азота   входит   в   состав   жесткого   кольца,   что   препятствует вращению   вокруг   связи   N–Сa   .   Кроме   того,   пролин   не   образует внутрицепочечную   водородную   связь   из­за   отсутствия   при   атоме   азота водородного атома. Таким образом, во всех случаях, когда в полипептидной цепи встречается пролин, a ­спиральная структура нарушается и образуется клубок или b ­изгиб. b ­Структура. В отличие от a ­спирали b ­структура образована за счет межцепочечных   водородных   связей   между   соседними   участками полипептидной цепи, так как внутрицепочечные контакты отсутствуют. Если эти   участки   направлены   в   одну   сторону,   то   такая   структура   называется параллельной (j = ­119°, y = +113°) (, если же в противоположную (j = ­139°, y = +135°). антипараллельной . Полипептидная   цепь   в   b   ­структуре   сильно   вытянута   и   имеет   не спиральную, а скорее зигзагообразную форму. Расстояние между соседними аминокислотными   остатками   по   оси   составляет   0,35   нм,   т.   е.   в   три   раза больше, чем в a ­спирали, число остатков на виток равно 2. В случае параллельного расположения b ­структуры водородные связи менее прочны по сравнению с таковыми при антипараллельном расположении аминокислотных   остатков.   В   отличие   от   a   ­спирали,   насыщенной водородными связями, каждый участок полипептидной цепи в b ­структуре открыт   для   образования   дополнительных   водородных   связей.   Сказанное относится как к параллельной, так и к антипараллельной b ­структуре, однако в   антипараллельной   структуре   связи   более   стабильны.   В   отрезке полипептидной цепи, образующей b ­структуру, находится от трех до семи аминокислотных остатков, а сама b ­структура состоит из 2­6 цепей, хотя их число   может   быть   и   большим.   b   ­   Структура   имеет   складчатую   форму, зависящую от соответствующих a ­углеродных атомов. Поверхность ее может быть   плоской   и   левозакрученной   таким   образом,   чтобы   угол   между отдельными отрезками цепи составлял 20­25°.  b ­Изгиб.  Глобулярные белки имеют шарообразную форму во многом благодаря   тому,   что   для   полипептидной   цепи   характерно   наличие   петель, зигзагов, шпилек, причем направление цепи может изменяться даже на 180°. В последнем случае имеет место b – изгиб. Этот изгиб по форме напоминает шпильку для волос и стабилизируется одной   водородной   связью.   Фактором,   препятствующим   его   образованию, могут   быть   большие   боковые   радикалы,   и   поэтому   довольно   часто наблюдается   включение   в   него   наименьшего   аминокислотного   остатка   – глицина.   Эта   конфигурация   оказывается   всегда   на   поверхности   белковой глобулы,   в   связи   с   чем   b   ­изгиб   принимает   участие   во   взаимодействии   с другими полипептидными цепями. Супервторичные   структуры.  Впервые   супервторичные   структуры белков были постулированы и затем обнаружены Л. Полингом и Р. Кори. В качестве   примера   можно   привести   суперспирализованную   a   ­спираль,   в которой   две   а­спирали   скручены   в   левую   суперспираль.   Однако   чаще суперспиральные   структуры   включают   в   себя   как   a   ­спирали,   так   и   b ­складчатые листы. Их состав может быть представлен следующим образом: (a a ), (a b ), (b a ) и (b Х b ). Последний вариант представляет собой два параллельных складчатых листа, между которыми находится статистический клубок (b С b ), a ­спираль (b a b ) или b ­структура (b b b ). Соотношение между вторичной и супервторичной структурами имеет высокую степень вариабильности и зависит от индивидуальных особенностей той или иной белковой макромолекулы. Домены  – более сложные уровни организации вторичной  структуры. Они  представляют  собой  обособленные  глобулярные  участки,  соединенные друг   с   другом   короткими   так   называемыми   шарнирными   участками полипептидной   цепи.   Д.   Бирктофт   одним   из   первых   описал   доменную организацию   химотрипсина,   отметив   наличие   двух   доменов   у   этого   белка. Каждый из них имеет цилиндрическую форму, образованную b ­структурой, и состоит из 6 антипараллельных цепей. В один из этих доменов входят 139 аминокислот   с   N­конца,   другой   –   С­концевой   включает   в   себя   115 аминокислотных остатков. Доменная организация характерна для многих белков. В этих белках, как правило, находится несколько структурных доменов, каждый из которых содержит   до   200   аминокислотных   остатков.   Примером   тому   может   быть белок глицеральдегидфосфатдегидрогеназа (ГАФД).  В некоторых белках, например в иммуноглобулинах или сериновых про­ теиназах,   структурные   домены   сходны   по   своей   первичной   структуре,   что указывает   на   возможный   механизм   дубликации   соответствующих   генов,   в других   белках,   например   в   гемоглобине,   имеются   определенные   различия (рис. 3.8). По строению домены в белках разделяют на несколько групп в зависимости от содержания в них a ­спиралей и b ­складчатых листов. Третичная структура Это  трехмерная  архитектура  полипептидной  цепи  – особое  взаимное расположение в пространстве спиралеобразных, складчатых и нерегулярных участков   полипептидной   цепи.   У   разных   белков   третичной   структуры различна.   В   формировании   третичной   структуры   участвуют   дисульфидные связи и все слабые типы связей. Выделяют два общих типа третичной структуры: 1) В фибриллярных белках (например, коллаген, эластин ) молекулы которых имеют   вытянутую   форму   и   обычно   формируют   волокнистые   структуры тканей,   третичная   структура   представлена   либо   тройной   альфа­спиралью (например, в коллагене), либо бета­складчатыми структурами. 2) В глобулярных белках,  молекулы которых имеют форму шара или эллипса (латинское   название:   GLOBULA   ­   шар),   встречается   сочетание   всех   трех типов   структур:   всегда   есть   нерегулярные   участки,   есть   бета­складчатые структуры и альфа­спирали. Обычно   в   глобулярных   белках   гидрофобные   участки   молекулы находятся   в   глубине   молекулы.   Соединяясь   между   собой,   гидрофобные радикалы   образуют   гидрофобные   кластеры   (центры).   Формирование гидрофобного   кластера   вынуждает   молекулу   соответствующим   образом изгибаться в пространстве. Обычно в молекуле глобулярного белка бывает несколько   гидрофобных   кластеров   в   глубине   молекулы.   Это   является проявлением   двойственности   свойств   белковой   молекулы:   на   поверхности молекулы   ­   гидрофильные   группировки,   поэтому   молекула   в   целом   ­ гидрофильная, а в глубине молекулы ­ спрятаны гидрофобные радикалы. Четвертичная структура Встречается не у всех белков, а только у тех, которые состоят из двух или   более   полипептидных   цепей.   Каждая   такая   цепь   называется СУБЪЕДИНИЦЕЙ данной молекулы (или ПРОТОМЕРОМ). Поэтому белки, обладающие   четвертичной   структурой,   называют   ОЛИГОМЕРНЫМИ белками. В состав белковой молекулы могут входить одинаковые или разные субъединицы.   Например,   молекула   гемоглобина   «А»   состоит   из   двух субъединиц одного типа и двух субъединиц другого типа, то есть является тетрамером.   Фиксируются   четвертичные   структуры   белков   всеми   типами слабых связей, а иногда еще и дисульфидными связями. Вывод Белки   ­   неотъемлемые   компоненты   любой   живой   клетки,   которые обеспечивают и поддерживают ее жизнедеятельность. Огромное   структурное   разнообразие   белков   и   широкий   диапазон изменения   их   физико­химических   свойств   позволяют   этим   биополимерам выполнять разнообразные и жизненно важные функции в живом организме. Имеется   четыре   уровня   структуры   белковой   молекулы.   Все   уровни структуры взаимосвязаны, и последовательность остатков аминокислот, или первичная   структура,   полностью   определяет   конформацию   белковой молекулы. Проявление биологической активности зависит от высших уровней их структурной организации. Литература 1.   Жеребцов   Н.А.,   Попова   Т.Н.,   Артюхов   В.Г.   Биохимия­Воронеж; Издательство ВГУ, 2002. 2.Ткачук В. А. Клиническая биохимия. ­ Москва. ГЭОТАР ­ МЕД. 2002. 3. Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Биологическая химия М.: Медицина, 2002. 4.  Камышников В.С. Справочник по клинико­биохимическим исследованиям и лабораторной диагностике. – 3­e изд. – М. : МЕД­пресс информ, 2009.  5.   Луцик   Б.   Д.   Клиническая   лабораторная   диагностика.­   Киев.   ВСВ   – МЕД.2011 6. Биохимия: Учеб. для вузов, Под ред. Е.С. Северина., 2003.