Уровни структурной организации белковой молекулы (первичная, вторичная, третичная, четвертичная).

Пептиды. Пептидная связь.

Образование пептидов

Имея противоположные по свойствам (кислотные – карбоксильная –СООН и основные – аминогруппа –NH₂) функциональные группы, аминокислоты могут вступать во взаимодействия между собой. При этом α-карбоксильная группа одной аминокислоты взаимодействует с α-аминогруппой другой аминокислоты с образованием пептидной (амидной) связи. В результате этой реакции поликонденсации из двух аминокислот образуется дипептид, из трех – трипептид, из многих – полипептид и низкомолекулярное соединение – вода (одна молекула при образовании каждой пептидной связи).

О H

║ ׀

H₂N─CH─C─OH + H─N─CH─COOH → H₂N-CH-CO─ NH-CH-COOH + H₂O

׀ ׀ ׀ ׀

R₁ R₂ R₁ R₂ дипептид

N-конец→ H₂N-CH-CO ─ NH-CH-CO ─ NH-CH-CO ─ NH-CH-COOH ←С-конец

׀ ׀ ׀ ׀

R₁ R₂ R₃ R_n

(R₁, R₂, R₃, R_n – боковые радикалы аминокислот)

Схема строения полипептида

Конструкция полипептидной цепи одинакова для всех пептидов и белков. Эта цепь имеет неразветвленное (линейное) строение и состоит из чередующихся пептидных (-CO ─ NH-) и метиновых (-CH-) групп. Один конец полипептидной цепи, на котором находится свободная α-NH₂- группа, называется N-концом, другой конец, на котором находится аминокислота со свободной α-СООН группой – С-концом. Пептидные и белковые цепи принято записывать с N-конца.

Таким образом, пептиды – это органические соединения, построенные из остатков α-аминокислот, соединенных между собой пептидными связями. Принято различать олигопептиды (низкомолекулярные пептиды), содержащие в цепи не более 10 аминокислотных остатков и полипептиды, в состав которых входит до 100 аминокислотных остатков. Соединения, содержащие более 100 аминокислотных остатков (молекулярная масса от 10000 до нескольких миллионов дальтон), относятся к белкам. Схематичный состав пептидов указывается следующим образом: ала-цис-гли и показывает, что данный трипептид состоит из остатков аминокислот аланина, цистеина и глицина, причем аланин находится с N-конца, а глицин с С-конца.

Уровни структурной организации белковой молекулы (первичная, вторичная, третичная, четвертичная).

Белки – это линейные полимеры, структурной единицей которого (мономером) являются аминокислоты, соединенные пептидными связями.

Белки отличаются от пептидов не только количеством аминокислотных остатков, но, главное, характерной пространственной организацией белковой молекулы. Различают 4 уровня структурной организации белка: первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуры.

Первичная структура белка – это последовательность аминокислотных остатков, соединенных между собой пептидными связями, в полипептидной цепи. Полностью расшифрована первичная структура многих белков. Например, инсулина, гемоглобина, миоглобина, трипсиногена, лизоцима, γ-иммуноглобулинов и др. Последовательность аминокислотных остатков задана генетически (закодирована в мелекулах ДНК и РНК) и определяет более высокие уровни структурной организации белка, его физико-химические и биологические свойства.

В пространстве полипептидная цепь укладывается определенным образом, формируя вторичную структуру.

Вторичная структура – это конфигурация полипептидной цепи в пространстве, которая стабилизируется (т.е. удерживается) водородными связями между атомами водорода и кислорода пептидных группировок. Различают два основных вида вторичной структуры: α-спираль и β-складчатость

α-спираль - плотные витки вокруг длинной оси молекулы, один виток составляют 3,6 аминокислотных остатка, и шаг спирали составляет 0,54 нм. Водородные связи в α-спирали возникают через 3 аминокислотных остатка, между 1-м и 4-м, 2- и 5-м и т.д. остатками аминокислот. Водородные связи располагаются параллельно оси спирали.

β-структура, называемая так же структурой складчатого листа, или складчатым слоем представляет собой параллельно расположенные, вытянутые полипептидные цепи или одну полипептидную цепь, которая изгибается «сама на себя» (образуя так называемые «шпильки»). Два параллельных участка ß-структуры соединяются водородными связями, в образовании которых принимает участие только половина групп, способных к их образованию

Третичная структура – это компактная укладка полипептидной цепи в пространстве в виде глобулы или фибриллы. Формирование третичной структуры происходит за счет образования связей (ионных, ковалентных, водородных, гидрофобных), между боковыми радикалами аминокислотных остатков, расположенных на различных, достаточно удаленных друг от друга участках, полипептидной цепи.

а) ионные взаимодействия возникают между радикалами, имеющими противоположный заряд. Например, между положительно заряженным лизином и отрицательно заряженной глутаминовой кислотой.

б) ковалентные (дисульфидные) связи – возникают между двумя боковыми радикалами цистеина (-цис─S─S─цис-).

в) водородные связи между атомами водорода и кислорода боковых радикалов аминокислот (серина, треонина, аспарагина, глутамина и др.).

г) гидрофобные взаимодействия – возникают между неполярными радикалами аминокислотных остатков аланина, валина, лейцина, изолейцина, фенилаланина, триптофана, пролина.

Форма молекул

По форме третичной структуры белки разделяются на два вида: фибриллярные(нитевидные), пептидные цепи которых расположены параллельно друг другу и глобулярные, в которых полипептидные цепи плотно свернуты в шаровидные структуры – глобулы. В образовании фибрилл могут участвовать как α-спираль, так и β-структура, то же и для глобулярных белков, в них могут входить оба типа вторичной структуры.

У глобулярныхбелков неполярные группы аминокислот располагаются внутри глобулы, образуя гидрофобное ядро, а на поверхности располагаются полярные группы, что облегчает взаимодействие с молекулами воды, а это обеспечивает растворимостьглобулярных белков в воде и других полярных растворителях.

Фибриллярные белкине растворимы в воде.

Белки, состоящие из одной полипептидной цепи, имеют только третичную структуру, например, миоглобин – белок мышечной ткани, участвующий в связывании кислорода; некоторые ферменты, например, пепсин и трипсин.

Некоторые белки состоят из нескольких полипептидных цепей, каждая из которых имеет третичную структуру. Для характеристики таких белков введено понятие – четвертичная структура.

Четвертичная структура – пространственное расположение полипептидных цепей в молекуле белка. Белок, имеющий четвертичную структуру, называется олигомером, а полипептидные цепи, из которых он состоит – протомерамиили субъединицами.

Стабилизируют четвертичную структуру водородные связи и гидрофобные взаимодействия, возникающие между функциональными группами протомеров. У четвертичного уровня организации белка сохраняется форма третичной структуры (глобулярная или фибриллярная). Например, гемоглобин состоит из 4-х субъединиц, каждая из которых – глобулярный белок. В целом гемоглобин так же имеет глобулярную конфигурацию. Белки волос и шерсти – кератины имеют фибриллярную третичную и четвертичную структуры.