навчання біохімії

БІЛКИ. СТРУКТУРА І ФУНКЦІЇ Білки або протеїни кількісно переважають над усіма іншими макромолекулами живої клітини. Білки беруть участь у всіх біологічних процесах, виконуючи різноманітні функції: ферментативний каталіз; транспорт і накопичення; скорочення і рух; імунний захист; передача інформації в клітку; регуляція метаболізму; механічна опора тощо. Кожен білок має унікальну, властиву лише йому структуру і в такій же мірі унікальну функцію, що відрізняється від функцій інших білків. Структура білка Білки - це високомолекулярні сполуки (полімери), що складаються з a-амінокислот - мономерних ланок, з'єднаних між собою пептидними зв'язками. Всі 20 амінокислот, що зустрічаються в білках, це a-амінокислоти, загальною ознакою яких є наявність аміногрупи - NН 2 і карбоксильної групи - СООН у a -вуглецевого атома. a-амінокислоти відрізняються один від одного структурою групи R і, отже, властивостями. Всі амінокислоти можна згрупувати на основі полярності R-груп, тобто їх здатності взаємодіяти з водою при біологічних значеннях рН.

Пептидні зв'язки утворюються при взаємодії a -аминогруппами однієї амінокислоти з a -карбоксільной групою іншої амінокислоти: Пептидний зв'язок - це амидная ковалентний зв'язок, що з'єднує амінокислоти в ланцюжок. Отже, пептиди - це ланцюжки амінокислот. Поліпептидний ланцюг має певний напрям, так як у неї різні кінці - або вільна a -аминогруппами (N-кінець), або вільна a -карбоксільная група (С-кінець):

Зображення послідовності амінокислот в ланцюзі починається з N-кінцевої амінокислоти. З неї ж починається нумерація амінокислотних залишків. У поліпептидного ланцюга багаторазово повторюється група: -NH-CH-CO-. Ця група формує пептидний кістяк. Отже, поліпептидний ланцюг складається з остова (скелета), що має регулярну, повторювану структуру, і окремих бічних ланцюгів R-груп. Первинна структура характеризується порядком (послідовністю) чергування амінокислот у поліпептидного ланцюга. Навіть однакові по довжині і амінокислотним складом пептиди можуть бути різними речовинами тому, що послідовність амінокислот у ланцюзі у них різна. Послідовність амінокислот у білку унікальна і детермінується генами. Навіть невеликі зміни первинної структури можуть серйозно змінювати властивості білка. Було б неправильно зробити висновок, що кожен амінокислотний залишок в білку необхідний для збереження нормальної структури і функції білка. Наприклад, були виявлені багато варіанти послідовностей гемоглобіну, що функціонують нормально. Пояснення цього полягає в розумінні конформації білка і буде дано пізніше.

Конформація поліпептидних ланцюгів

Функціональні властивості білків визначаються їх конформацией, тобто розташуванням поліпептидного ланцюга в просторі. Унікальність конформації для кожного білка визначається його первинною структурою. У білках розрізняють два рівня конформації пептидного ланцюга - вторинну і третинну структуру. Вторинна структура білків обумовлена здатністю груп пептидного зв'язку до водневим взаємодій: C = O. HN.

По обидва боки жорсткої пептидного зв'язку можливо обертання: y і j -кути, що характеризують обертання щодо одинарних зв'язків С a -C і C a -N.

Конформація поліпептидних ланцюгів: а - a-спіраль, б - b -складчатий лист.

Третинна структура глобулярних білків представляє орієнтацію в просторі поліпептидного ланцюга, що містить a -Спіралі, b -Структури і ділянки без періодичної структури (безладний клубок). Додаткове складання скрученої поліпептидного ланцюга утворює компактну структуру. Це відбувається, перш за все, в результаті взаємодії між бічними ланцюгами амінокислотних залишків. Існує кілька видів взаємодії між R-групами, в основному Нековалентні характеру:

Зв'язки, що стабілізують третинну структуру:

електростатичні сили тяжіння між R-групами, що несуть протилежно заряджені йоногенних групи (іонні зв'язку);
водневі зв'язки між полярними (гідрофільними) R-групами;
гідрофобні взаємодії між неполярними (гідрофобними) R-групами;
дисульфідні зв'язки між радикалами двох молекул цистеїну. Ці зв'язки ковалентні. Вони підвищують стабільність третинної структури, але не завжди є обов'язковими для правильного скручування молекули. У ряді білків вони можуть взагалі бути відсутнім.

Просторова структура міоглобіну.

У поліпептидного ланцюга показані тільки a -вуглецевого атоми. Червоним показаний гем (небілковий компонент).

Доменні білки містять відокремлені глобули - домени, утворені однією і тією ж пептидного ланцюгом. Домени з'єднані пептидними перемичками. Вторинна і третинна укладання поліпептидного ланцюга білка повністю визначається його первинною структурою.

Білкова молекула має нативну (функціональну) конформацию завдяки наявності великої кількості слабких зв'язків і швидко денатурує при зміні умов середовища, від яких ці сили залежать. Зміна температури, іонної сили, рН, а також обробка органічними або деякими дестабілізуючими агентами може привести до порушення нативної конформації, що і називається денатурацією. Денатурирующие речовини утворюють зв'язку з аміногрупами або карбонільних групами пептидного остова або деякими бічними залишками амінокислот, підміняючи власні внутрішньо-молекулярні зв'язки в білку, внаслідок чого вторинна і третинна структури змінюються. Ці зміни не зачіпають первинну структуру, при цьому біологічна активність білка втрачається.

При певних умовах денатурований білок може бути ренатівірован. Це відбувається при видаленні денатурирующего або дестабілізуючого чинника. Наприклад, при видаленні сечовини діалізом поліпептиди мимовільно відновлюють свою нативну конформацію. Те ж відбувається при повільному охолодженні денатурованого нагріванням білка:

Це підтверджує, що характер укладання пептидного ланцюга зумовлений первинною структурою.

Взаємодія білків з лігандами

Основною властивістю білка, що забезпечує його функцію, є виборче взаємодія з певним речовиною - лігандом. Лігандами можуть бути речовини різної природи, як низькомолекулярні сполуки, так і макромолекули, в тому числі і білки. На білкових молекулах є ділянки, до яких приєднується ліганд - центри зв'язування або активні центри. Центри зв'язування формуються з амінокислотних залишків, що зближують в результаті формування вторинної та третинної структури. Зв'язки між білком і лігандом можуть бути нековалентними і ковалентними. Висока специфічність взаємодії ( «впізнавання») білка і ліганда забезпечується комплементарностью структури центру зв'язування просторову структуру ліганду. Під комплементарностью розуміють хімічне і просторове відповідність активного центру білка і ліганда. Взаємодія між білком Р і лігандом L описується рівнянням:

білок + ліганд↔ білково-лігандная комплекс.

Kдісс. = [P] x [L] / [PL]. Тут До дис. являє собою константу дисоціації комплексу. З рівняння рівноваги реакції слід, що якщо [P] = [PL], то До дис. = [L]. Рівність [P] і [PL] настає при напівнасичення білка лигандом, тобто 50% молекул білка пов'язані з лігандом; а 50% вільні. Значить, К дис. дорівнює такій концентрації L, при якій досягається насичення білка на 50%. Зміна концентрації PL при постійній концентрації Р і зростаючої концентрації L описується гіперболічної кривої. Максимальна величина PL означає, що весь білок пов'язаний з лігандом (крива насичення):

Графік насичення білка лигандом

За кривою насичення можна визначити Кдісс. і, отже, оцінити спорідненість ліганда до білка. Чим менше До дис. тим більше спорідненість L і P.

Четвертичная структура і кооперативность

У білках розрізняють первинну, вторинну, третинну і четвертинних структури:

Рівні структурної організації білка Четвертичная структура характерна для білків, побудованих з двох або більше пептидних ланцюгів. Білки такого типу називаються олигомерами. Четвертичная структура - це та кількість, і спосіб укладання поліпептидних ланцюгів (протомеров) в просторі:

Четвертичная структура гемоглобіну: а - модель молекули гемоглобіну, кожен протомеров містить гем (зображений у формі диска); б - схема комплементарності контактних поверхонь протомеров.

Протомери пов'язані один з одним за допомогою лише нековалентних зв'язків (іонних, водневих, гідрофобних). Причому протомери взаємодіють один з одним тільки певними ділянками своєї поверхні (контактні ділянки). Взаємне «впізнавання» контактних ділянок відбувається за принципом комплементарності. Кожен протомеров взаємодіє з іншим у багатьох точках. Отже, помилкові комплекси в олигомере практично неможливі. Олігомерні білкиздатні взаємодіяти з декількома лігандами в центрах, віддалених одна від одної. Зв'язування одного протомеров з лігандом змінює конформацію цього протомеров, а також всього олигомера і, крім того, спорідненість до інших лигандам. Таким чином, функціональна активність олігомерних білків може регулюватися аллостеріческого лигандами. Зв'язок між структурою білка і його функцією можна розглянути на прикладі двох споріднених білків: міоглобіну і гемоглобіну. Міоглобін - мономер (складається з одного поліпептидного ланцюга), основна його функція - запасання кисню в тканинах. Маючи високу спорідненість до кисню, міоглобін легко приєднує його і віддає кисень тільки при інтенсивній м'язовій роботі, коли парціальний тиск кисню падає нижче 10 мм рт. ст. Гемоглобін - тетрамер (складається з чотирьох протомеров). Основна функція гемоглобіну - оборотне зв'язування з киснем в легенях, де парціальний тиск кисню високе і гемоглобін взаємодіє з чотирма молекулами кисню. На малюнку наведено дані про здатність міоглобіну і гемоглобіну зв'язувати кисень:

Крива насичення киснем міоглобіну і гемоглобіну

Гіперболічна форма кривої у міоглобіну характерна для процесу зв'язування однієї молекули ліганда (в даному випадку О2) єдиним місцем в білкової молекулі, що складається з одного поліпептидного ланцюга. Сигмоїдальна крива, отримана для гемоглобіну, характерна для білків, що містять кілька пептидних ланцюгів і мають кілька місць зв'язування. В даному випадку проявляється позитивний кооперативний ефект, який пояснюється наступним чином: перший пов'язаний ліганд (О 2) полегшує зв'язування другий молекули О 2 з другим гемом, що в свою чергу полегшує зв'язування третьої молекули О2 з третім гемом, а це полегшує зв'язування останньої молекули Про 2. у тканинах СО 2 і Н 2 О, що утворюються при катаболізмі харчових речовин, взаємодіють з гемоглобіном і зменшують його спорідненість до кисню, що полегшує надходження кисню до тканин. В еритроцитах є також аллостерічеський ліганд 2,3-дифосфоглицерата, здатний взаємодіяти з дезоксигемоглобином. Це перешкоджає зворотному зв'язування звільнився кисню з гемоглобіном. Таким чином, зв'язування гемоглобіну з аллостеріческого лигандами в тканинах, при відносно високому парціальному тиску, забезпечує транспорт кисню до тканин. З розглянутих прикладів слід зробити висновок, що аллостерічеський ефект є результатом зв'язування ліганда зі специфічним ділянкою білка. Це викликає значну зміну в білкової молекулі, яка в свою чергу впливає на активність іншого, просторово віддаленого ділянки. Кооперативні зміни конформації олігомерних білків складають основу механізму регуляції функціональної активності не тільки гемоглобіну, а й багатьох інших білків.

Прості і складні білки

Якщо білки крім пептидних ланцюгів містять ще компоненти неамінокіслотной природи, то такі білки називаються складними. Небілкову частина називають простетичної групою, а білкову апопротеина. Складний білок холопротеін може диссоциировать на компоненти: Холопротеін ↔ апопротеїн + простетичної група. Напрямок реакції залежить від міцності зв'язку компонентів холопротеіна. Простетичної групою можуть бути органічні речовини, іони металів, нуклеїнові кислоти, вуглеводи, ліпіди та ін. Речовини.