Роль первичной структуры.

· Последовательность аминокислот в первичной структуре белка является специфической видовой характеристикой данного белка.

· Первичная структура белка генетически детерминирована и воспроизводится в процессах транскрипции и трансляции.

· Первичная структура белка является основной для формирования последующих структур белка за счет взаимодействия радикалов аминокислотных остатков полипептидной цепи.

· Замена аминокислоты L-ряда на аминокислоту D-ряда или замена даже одной L-аминокислоты на другую может привести к полному исчезновению биологической активности пептида.

Физиологически активные пептиды содержат от 3 до 100 аминокислотных остатков (ММ ниже 6000 Да). В отличие от белков полипептиды могут содержать непротеиногенные или модифицированные протеиногенные аминокислоты. Примеры:

1. Брадикинин и каллидин вызывают расслабление гладких мышц и являются продуктами протеолиза специфических a₂-глобулинов плазмы, поэтому эти пептиды содержат только протеиногенные аминокислоты:

брадикинин: арг-про-про-гли-фен-сер-про-фен-арг;

каллидин: Лиз-арг-про-про-гли-фен-сер-про-фен-арг.

2. Глутатион (γ-глу-цис-гли) находят во всех клетках. Он необходим для транспорта аминокислот через мембраны, для работы ряда ферментов. Сохраняет дисульфидные связи, содержит атипичную пептидную связь, когда глутамат связан с цистеином не через α-аминогруппу.

Полиморфизм белков – это существование одного и того же белка в нескольких молекулярных формах, отличающихся по первичной структуре, физико-химическим свойствам и проявлениям биологической активности.

Причинами полиморфизма белков являются рекомбинации и мутации генов. Изобелки – это множественные молекулярные формы белка, обнаруживаемые в пределах организмов одного биологического вида как результат наличия более чем одного структурного гена в генофонде вида. Множественные гены могут быть представлены как множественные аллели или как множественные генные локусы.

Примеры полиморфизма белков.

1. Полиморфизм белков в филогенезе – существование гомологичных белков у разных видов. У этих белков консервативными (неизменяемыми) остаются участки первичной структуры, отвечающие за их функцию. Для замещения утраченных белков в организме человека используют гомологичные белки животных, в первичной структуре которых имеются минимальные различия (инсулин быка, свиньи, кашалота).

2. Полиморфизм белков в онтогенезе – существование гомологичных белков в разные отрезки жизненного цикла организма. У плода имеется гемоглобин F (фетальный гемоглобин, α₂γ₂, имеет большое сродство к кислороду). После рождения он заменяется на гемоглобин А₁ (a₂b₂).

3. Тканевой полиморфизм белков. Один и тот же фермент в разных клетках катализирует одну и ту же реакцию, но имеет отличия в первичной структуре – изоферменты. Определение изоферментов в крови помогает диагностировать поражение определенной ткани.

4. Полиморфизм белков при патологии. Рассмотрим на примере множественных форм мутаций, передаваемых по наследству. При этом чаще всего происходит замена кислой аминокислоты на основную или нейтральную:

в НbC замена глу₆ в β-цепи на лиз;

в НbЕ замена глу₂₆ в β-цепи на лиз;

в НbI замена лиз₁₆ в β-цепи на асп;

в НbS замена глу₆ в β-цепи на вал.

В последнем случае возникает такое заболевание, как серповидно-клеточная анемия. Аномальные гемоглобины отличаются от нормального величиной заряда и электрофоретичной подвижностью. Физико-химические изменения гемоглобинов сопровождаются нарушением транспорта кислорода.

Вторичная структура белка – регулярная организация полипептидной цепи, стабилизируемая водородными связями. Водородные связи образованы между NH- и СО-группами пептидных связей. Различают a-спираль, b-структуру и неупорядоченную конформацию (клубок).

a-Спираль. Закручивание полипептидной цепи идет по часовой стрелке (правый ход спирали), что обусловлено строением L-аминокислот. На каждый виток (шаг) спирали приходится 3,6 аминокислотного остатка. Шаг спирали равен 0,54 нм, на один аминокислотный остаток приходится 0,15 нм. Угол подъема спирали составляет 26⁰. через каждые 5 витков спирали (18 аминокислотных остатков) структура полипептидной цепи повторяется. Водородные связи параллельны оси спирали и возникают между каждым первым и каждым пятым аминокислотными остатками. Образованию a-спирали препятствуют пролин и аминокислоты с объемными и заряженными радикалами.

Β-Структура. В фибриллярных белках две или более линейные полипептидные цепи прочно связываются водородными связями, перпендикулярными оси молекулы (складчатый b-слой). Если межцепочными водородными связями соединены две полипептидные цепи, идущие в одном направлении от N- к С-концу, то это параллельная β-структура. Если N- и С-концы цепей расположены противоположно, то это антипараллельная b-структура. Если одна полипептидная цепь изгибается и идет параллельно себе, то это антипараллельная β-кросс-структура. Места изгиба цепи определяются про, гли, асн-b-изгиб.

Неупорядоченная конформация. Участки белковой молекулы, которые не относятся к спиральным или складчатым структурам, называются неупорядоченными. При графическом изображении спиральные участки изображают цилиндром, а складчатые структуры – стрелкой. Выделяют понятие надвторичной структуры, представляющей собой закономерное чередование a-спиральных участков и b-структур.

Третичная структура – конформация полипептидной цепи в целом (т.е. расположение в трехмерном пространстве). Третичную структуру стабилизируют связи и взаимодействия между радикалами аминокислотных остатков полипептидной цепи: ковалентная – дисульфидная связь, а также водородная, ионная связи и гидрофобное взаимодействие. Виды белков, имеющих третичную структуру:

белки, в составе которых преобладают a-спирализованные участки, имеют форму глобулы (глобулярные белки) и выполняют динамические функции;

белки, в составе которых преобладают структуры складчатого b-слоя, имеют нитевидную (фиблиллярные белки) форму и выполняют структурные функции;

коллаген – самый распространенный белок в мире животных (до 25% от всех белков организма), имеет особую структуру. Молекула коллагена (тропоколлагена) построена из трех полипептидных цепей. Каждая полипептидная цепь содержит около 1000 аминокислотных остатков (35% - глицин, 21% - пролин и оксипролин, 11% - аланин). Каждая полипептидная цепь имеет конформацию плотной спирали (3 аминокислотных остатка на виток). В молекуле тропоколлагена все три спирали перевиты друг с другом, образую жгут. Между спиралями за счет пептидных групп образуются водородные связи. Такое строение обеспечивает прочность коллагеновых волокон.

Нативная структура белка.

Многие белки в третичной структуре имеют спирализованные, складчатые и неупорядоченные сегменты. При этом, в функциональном и структурном отношениях важно взаимное расположение аминокислотных радикалов. Употребляют следующие термины:

домены – анатомически выделяемые участки третичной структуры белка, отвечающие за выполнения определенной функции белка;

гидрофобные карманы – полости в третичной структуре, выстланные радикалами гидрофобных аминокислот; служат для погружения в молекулу белка гидрофобных лигандов;

гидрофобные кластеры – участки поверхности белка, где сконцентрированы радикалы гидрофобных аминокислот; служат для взаимодействия с гидрофобными кластерами других молекул.

Для выполнения функции белок должен иметь определенную и часто единственную третичную структуру (конформацию) – нативная структура.

Денатурация белков

– это разрушение третичной и частично вторичной структур путем разрыва дисульфидных и слабых нековалентных взаимодействий (водородных, ионных, гидрофобных), сопровождающиеся потерей функции белка. Иными словами, денатурация – это потеря нативной структуры.