Современные представления о структуре белков.

Белки - сложные биополимеры, состоящие из аминокислот.

Все белки представляют собой полимеры, цепи которых собраны из фрагментов аминокислот. Аминокислоты – это органические соединения, содержащие в своем составе (в соответствии с названием) аминогруппу NH₂ и органическую кислотную, т.е. карбоксильную, группу СООН. Из всего многообразия существующих аминокислот (теоретически количество возможных аминокислот неограниченно) в образовании белков участвуют только такие, у которых между аминогруппой и карбоксильной группой – всего один углеродный атом. В общем виде аминокислоты, участвующие в образовании белков, могут быть представлены формулой: H₂N–CH(R)–COOH.

Общая химическая формула аминокислот (АК), являющихся структурным элементом белковой молекулы, может быть представлена следующим образом:

R CH COOH

NH₂

В треугольнике выделена одинаковая для всех -аминокислот часть, а R-радикал или боковая цепь, специфична для каждой аминокислоты.

Группа R, присоединенная к атому углерода (тому, который находится между амино- и карбоксильной группой), определяет различие между аминокислотами, образующими белки. Эта группа может состоять только из атомов углерода и водорода, но чаще содержит помимо С и Н различные функциональные (способные к дальнейшим превращениям) группы, например, HO-, H₂N- и др. Существует также вариант, когда R = Н.

В организмах живых существ содержится более 100 различных аминокислот, однако, в строительстве белков используются не все, а только 20, так называемых «фундаментальных».

Студентам следует повторить номенклатуру и основные свойства аминокислот из курса “Органическая химия”.

Свойства аминокислот разнообразны и они во многом определяют свойства белков.

По теории Э. Фишера аминокислоты присоединены друг к другу ковалентной амидной связью, которая возникает при взаимодействии α-карбоксильной группы одной аминокислоты с α-аминогруппой другой амино кислоты. При этом выделяется вода.

Продукты такой реакции называют пептидами, а сама связь между аминокислотами – пептидной.

Пептидная связь является повторяющимся фрагментом полипептидной цепи, она имеет ряд особенностей, которые влияют не только на форму первичной структуры белка, но и на высшие формы организации его структуры.

У пептидов на одном конце – свободная аминогруппа, а на другом – карбоксильная. К этим группам могут присоединятся новые аминокислоты, благодаря чему происходит наращивание полипептидной цепи.

Свойства пептидной связи определяют во многом структуру и свойства самих белков. Знать свойства пептидной связи полезно для понимания причин многоуровневой организации белковой молекулы.

Свойства пептидной связи:

1. Пептидная связь копланарна - все атомы, входящие в состав пептидной единицы, находятся в одной плоскости.

2. Вращение вокруг связи C-N отсутствует.

3. C -атомы каждой пептидной связи находятся в транс-конформации.

4. Пептидные группировки обеспечивают максимально возможное число водородных связей (каждая группа -СО-NH- способна образовать две водородные связи с соседними пептидными группами).Исключение пролин и оксипролин, которые образуют 1 водородную связь), что сказывается на формировании вторичной структуры белка, пептидная цепь на этом участке легко изгибается и молекуле образуются петли (шпильки).

Структурная организация белковой молекулы имеет определенную иерархию структурных уровней, берущую начало от первичной структуры и заканчивающуюся четвертичной.

Первичная структураКаждый вид белка обладает строгой спецификой аминокислотного состава. уникальностью числа аминокислот и их последовательности в полипептидной цепи, что определяется понятием первичная структурабелка. Первичная структура белка предопределена генетическим кодом клетки. Она определяет пространственную структуру - конформацию белковой молекулы.

Вторичная структура- это специфическая упорядоченная ориентация полипептидной цепи в пространстве, обусловленная свободным вращением вокруг ее связей, соединяющих -углеродные атомы. (упорядоченное пространственное расположение отдельных участков полипептидной цепи) Если торсионные углы равны 45-60^о , то вторичная структура белка представлена в виде -спирали, если углы равны 120-135^о, то образуется -структура.

А и В - плоскости двух связанных пептидных единиц; Р - плоскость, содержащая связи С - N и С - С’, вокруг которых происходит вращение Ф и соответственно

ПРОСТРАНСТВЕННОЕ РАСПОЛОЖЕНИЕ ТОРСИОННЫХ УГЛОВ В ПОЛИПЕПТИДНОЙ ЦЕПИ

А и В - плоскости двух связанных пептидных единиц; Р - плоскость, содержащая связи С - N и С - С’, вокруг которых происходит вращение Ф и соответственно

Отдельные витки спирали удерживаются многочисленными водородными связями с участием водорода аминогруппы и атома кислорода группы СО. При образовании спиралей радикалы, карбоксильные группы и аминогруппы остаются снаружи, что обуславливает возможность образования третичной структуры белка.

В пространстве аминокислотные остатки, составляющие белковую полипептидную цепь, плотно упакованы за счет примыкания друг к другу их боковых цепей за счет так называемого стэкинг-взаимодействия (англ. stack-стопка, кипа).

Третичная структура Полипептидная цепь складывается в пространстве в уникальную для каждого белка трехмерную конфигурацию, которая называется третичной структурой или конформацией белковой молекулы. Третичная структура определяет вид молекулы под микроскопом и поведение ее в различных средах.

Глобулярные белки по третичной структуре можно разделить на пять групп:

1. α-белки – белки с большим количеством спиральных структур

2. β-белки – белки, глобулы кот-х состоят из двух и более β-складчатых слоёв.

3. α / β-белки – представляют полипептидную цепь, состоящую из чередующихся α-спиралей и вытянутых β-участков цепи, сгруппированных в один β-слой.

4. (α + β) – белки, представляющие собой полипептидную цепь, разделенную на участки, целиком состоящие из спиралей, и на участки, имеющие форму β-складчатого слоя.

5. белки без α, β – это белки, в структуре которых практически нет спиральных и складчатых участков. Молекулярные глобулы состоят из ясно различимых долей – доменов.

Основные связи, стабилизирующие третичную структуру молекулы белка:

водородные связи между боковыми цепями аминокислотных остатков;

водородные связи между пептидными единицами;

ионные связи;

ван-дер-ваальсовы силы;

гидрофобные взаимодействия

Типы химических связей в белковой молекуле

В биомолекулах химические связи можно разделить на ковалентные и нековалентные. К ковалентным относятся пептидная и дисульфидная связи. Важную роль в поддержании пространственной структуры биологических молекул играют более слабые, чем ковалентные, химические связи (водородные и ионные связи, ван-дер-ваальсовы силы, гидрофобные взаимодействия).

Водородные связи. Этот тип появляется при электростати­ческом взаимодействии атома водорода с частично положи­тельным зарядом и ковалентно связанного атома кислорода (азота) с отрицательным зарядом. Способность к образованию водородных связей ярко выражена у соединений, содержащих группы -СО, -NH, -ОН, -СОО-, -СОН.

В белковой молекуле водородная связь может образовы­ваться между группировками пептидных цепей и боковыми цепями аминокислот. Водородные связи бывают внутримоле­кулярными и межмолекулярными. Единичная водородная связь довольно слабая и непрочная, однако образование даже не­скольких таких связей, действующих кооперативно, представ­ляет собой стабилизирующий фактор. Важное биологическое значение водородных связей определяется их участием в стро­ении живой материи.

Гидрофобные взаимодействия. Соединения, несущие заря­ды, а также способные к образованию водородных связей, являются полярными, или гидрофильными. Вследствие того, что электроотрица­тельный заряд углерода близок к водороду, углерод не способен к образованию водородных связей. Связи С—Н непо-лярны, поэтому углеводородные цепи гидрофобны. Молекулы воды, стремясь образовать между собой водородные связи, выталкивают гид­рофобные группы и молекулы, заставляя их преобразовы­ваться в ассоциаты. Этот процесс идет самопроизвольно. Гид­рофобные ассоциаты имеют первостепенное значение для «архитектуры» биомембран, нуклеиновых кислот и белков. В белках гидрофобные взаимодействия возникают вследствие стремления неполярных гидрофобных боковых цепей ряда аминокислот (Вал, Ала, Лей, Иле, Фен, Тир, Три) избегать контакта с водой. Полипептидная цепь при этом сворачива­ется как бы в клубок, внутри которого сближаются гидро­фобные группировки, а на поверхности располагаются по­лярные группы, взаимодействующие с водой.

Ван-дер-ваальсовы силы.Силы межмолекулярного взаимо­действия названы по имени голландского физика Я. Д. Ван-дер-Ваальса, впервые в 1873 году высказавшего предположе­ние об их существовании. По своей природе эти связи напоминают водородные, так как возникают на основе кулоновских сил электростатического притяжения. Однако, если в образовании водородных связей участвуют постоянные ди­поли высокополярных ковалентных связей, то ван-дер-вааль-совы силы возникают при индуцированных, непостоянных диполях слабополярных ковалентных связей, например С-Н. Несмотря на то, что ван-дер-ваальсовы силы очень слабые, они фактически обусловливают ассоциацию многих неполяр­ных группировок в биомолекулах.

Ионные связи. Данный тип основан на взаимном элект­ростатическом притяжении противоположно заряженных ионов. Примером такого взаимодействия служит связь меж­ду отрицательно заряженной карбоксильной группой —СОО^– и положительно заряженной протонированной аминогруп­пой –NH₂⁺.

Важнейшей особенностью слабых химических связей яв­ляется то, что их энергия незначительно превышает кинети­ческую энергию теплового движения (2,5 кДж/моль). Этого небольшого превышения оказывается достаточно, чтобы воз­никли слабые взаимодействия как внутри, так и между био­молекулами. Такие непрочные вторичные химические связи очень лабильны, что обусловливает их быстрое возникнове­ние и распад.

Термодинамически выгодным оказывается расслоение системы, образование двух фаз - водной и углеводородной, что достигается сворачиванием глобулы и установлением гидрофобных контактов между неполярными радикалами. Сближение неполярных групп влечет за собой формирование ван-дер-ваальсовых контактов между ними. Но вклад этих весьма слабых взаимодействий в энергетику процесса свертывания белка невелик, тогда как роль гидрофобных контактов (роль изменения энтропии растворителя) при свертывании белка очень высока.

Форма белковой молекулы во многом определена третьим уровнем структуры, и особенно степенью асимметрии (отношением длинной части молекулы к короткой).

У фибриллярных (нитевидных) белков степень асимметрии более 80. К ним относятся кератин, коллаген и др. белки соединительных тканей. При степени асимметрии молекулы менее 80 белки образуют глобулу. Для многих глобулярных белков степень асимметрии равна 3-5. Следует отметить, что для белков с большой степенью асимметрии характерна -структура, а для глобулярных белков более характерна -спираль.

Главными структурными принципами глобулярной молекулы белка являются:

· компактная форма (за счет стэкинг-взаимодействия боковых групп);

· наличие гидрофобного ядра или ядер (за счет объединения неполярных аминокислотных остатков);

· наличие полярной оболочки (за счет ионных или полярных радикалов аминокислотных остатков).

При взаимодействии нескольких субъединиц происходит построение полиглобулярного белка с так называемой четвертичной структурой. Эта структура присуща ферментам и гемоглобину. Четвертичная структура стабилизируется всеми типами слабих связей и иногда ещё дисульфидными связями.

Каждая из перечисленных структур определяет свойства белковой молекулы в целом. Суммарные свойства неизменного белка получили название «нативные свойства», а их носитель, то есть неизменный белок – «наивный белок».

НАТИВНОСТЬ - это уникальный комплекс физических, физико-химических, химических и биологических свойств белковой молекулы, который принадлежит ей, когда молекула белка находится в естественном, природном (нативном) состоянии.

Свойства белков

Сложная структура белков предопределяет многообразие их свойств.