Структура білка - студопедія
Білки. Структура білків. Властивості білків.
Білок - це послідовність амінокислот, пов'язаних один з одним пептидними зв'язками.
Легко уявити, що кількість амінокислот може бути по-різному: від мінімум двох до будь-яких розумних величин. Біохіміки домовилися вважати, що якщо кількість амінокислот не перевищує 10, то таке з'єднання називається пептид; якщо від 10 і більше амінокислот - поліпептид. Поліпептиди, здатні спонтанно формувати і утримувати певну просторову структуру, яка називається конформацией, відносять до білків. Стабілізація такої структури можлива лише при досягненні полипептидами певної довжини (понад 40 амінокислот), тому білками зазвичай вважають поліпептиди молекулярної масою більше 5 000 Да. (1дА дорівнює 1/12 ізотопу вуглецю). Тільки маючи певний просторове будова (нативну структуру), білок може виконувати свої функції.
Розмір білка може вимірюватися в Дальтон (молекулярна маса), частіше через відносно великий величини молекули в похідних одиницях - кілодальтон (кДа). Білки дріжджів, в середньому, складаються з 466 амінокислот і мають молекулярну масу 53 кДа. Найбільший з відомих в даний час білків - тітін - є компонентом саркомеров м'язів; молекулярна маса його різних ізоформ варіює в інтервалі от 3000 до 3700 кДа, він складається з 38 138 амінокислот (в людській м'язі solius).
Тривимірна структура білка формується в процесі фолдинга (від англ. Folding - «згортання»). Тривимірна структура формується в результаті взаємодії структур нижчих рівнів. Виділяють чотири рівні структури білка:
Первинна структура - послідовність амінокислот у поліпептидному ланцюзі.
Вторинна структура - це розміщення в просторі окремих ділянок поліпептидного ланцюга. Нижче наведені найбільш поширені типи вторинної структури білків:
# 945; -Спіралі - щільні витки навколо довгої осі молекули, один виток складають 3,6 амінокислотних залишку, і крок спіралі складає 0,54 нм (на один амінокислотний залишок припадає 0,15 нм), спіраль стабілізована водневими зв'язками між H і O пептидних груп, віддалених один від одного на 4 амінокислотних залишку. Спіраль побудована виключно з одного типу стереоізомерів амінокислот (L). Хоча вона може бути як левозакрученной, так і правозакрученной, в білках переважає правозакрученная. Спіраль порушують електростатичні взаємодії глутамінової кислоти, лізину, аргініну. Розташовані близько один до одного залишки аспарагіну, серину, треоніну і лейцину можуть стерически заважати утворенню спіралі, залишки проліну викликає вигин ланцюга і також порушують структуру # 945; -Спіралі.
# 946; -складчатие шари - кілька зигзагоподібних поліпептидних ланцюгів, в яких водневі зв'язки утворюються між відносно віддаленими одна від одної (0,347 нм на амінокислотний залишок) у первинній структурі амінокислотами або різними ланцюгами білка, а не близько розташованими, як має місце в # 945; -Спіралі. Ці ланцюги зазвичай спрямовані N-кінцями в протилежні сторони (антипаралельними орієнтація). для освіти # 946; -складчатих шарів важливі невеликі розміри бічних груп амінокислот, зазвичай переважають гліцин і аланін.
Укладання білка у вигляді # 945; -Спіралі
Укладання білка у вигляді # 946; -складчатого шару
Невпорядковані структури - це невпорядковане розташування білкової ланцюга в просторі.
Просторова структура кожного білка індивідуальна і визначається його первинною структурою. Однак порівняння конформаций різних за структурою і функціями білків виявило наявність у них схожих поєднань елементів вторинної структури. Такий специфічний порядок формування вторинних структур називають супервторічной структурою білків. Супервторічная структура формується за рахунок межрадікальних взаємодій.
Певні характерні поєднання # 945; -спіралей і # 946; -структур часто позначають як "структурні мотиви". Вони мають специфічні назви: "# 945; -спіраль-Поворот # 945; -спіраль", "структура # 945; / # 946; -бочонка "," лейцінових застібка-блискавка "," цинковий палець "і ін.
Третинна структура - це спосіб розміщення в просторі всієї поліпептидного ланцюга. Поряд з # 945; -спіралей, # 946; -складчатимі шарами і супервторічнимі структурами в третинної структурі виявляється невпорядкована конформація, яка може займати значну частину молекули.
Схематичне уявлення укладання білка в третинну структуру.
Четвертичная структура виникає у білків, які складаються з декількох поліпептидних ланцюгів (субодиниць, протомеров або мономерів), при об'єднанні теоретичних структур цих суб'дініц. Наприклад, молекула гемоглобіну складається з 4 субодиниць. Четвертинних структуру мають надмолекулярні освіти - Мультиферментний комплекси, які складаються з декількох молекул ферментів і коферментів (піруватдегідрогеназа), і ізоферменти (лактатдегидрогеназа - ЛДГ, креатинфосфокиназа -КФК).
Отже. Просторова структура залежить не від довжини поліпептидного ланцюга, а від послідовності амінокислотних залишків, специфічною для кожного білка, а також від бічних радикалів, властивих відповідним амінокислотам. Просторову тривимірну структуру або конформацию білкових макромолекул утворюють в першу чергу водневі зв'язку, гідрофобні взаємодії між неполярними бічними радикалами амінокислот, іонні взаємодії між протилежно зарядженими бічними групами амінокислотних залишків. Водневі зв'язки відіграють величезну роль у формуванні та підтримці просторової структури білкової макромолекули. Що стосується гідрофобних взаємодій, то вони виникають в результаті контакту між неполярними радикалами, нездатними розірвати водневі зв'язки між молекулами води, яка витісняється на поверхню білкової глобули. У міру синтезу білка неполярні хімічні угруповання збираються всередині глобули, а полярні витісняються на її поверхню. Таким чином, білкова молекула може бути нейтральною, зарядженої позитивно або ж негативно залежно від рН розчинника та йоногенних груп в білку. Крім того, конформація білків підтримується ковалентними зв'язками S-S, що утворюються між двома залишками цистеїну. В результаті утворення нативной структури білка багато атоми, що знаходяться на віддалених ділянках поліпептидного ланцюга, зближуються і, впливаючи один на одного, набувають нових властивостей, які відсутні у індивідуальних амінокислот або невеликих поліпептидів.
Важливо розуміти, що фолдінг - згортання білків (та інших біомакромолекул) з розгорнутою конформації в «нативну» форму - фізико-хімічний процес, в результаті якого білки в своїй природній «місці існування» (розчині, цитоплазмі або мембрані) набувають характерні тільки для них просторову укладання та функції.
У клітинах є ряд каталитически неактивних білків, які тим не менше роблять великий внесок в освіту просторових структур білків. Це так звані шаперони. Шаперони допомагають правильній збірці тривимірної білкової конформації шляхом утворення оборотних нековалентних комплексів з частково згорнутої поліпептидного ланцюгом, одночасно пригнічуючи неправильно утворені зв'язку, що ведуть до формування функціонально неактивних білкових структур. У перелік функцій, властивих шаперон, входить захист розплавлених (частково згорнутих) глобул від агрегації, а також перенесення новосинтезованих білків в різні локуси клітин. Шаперони переважно є білками теплового шоку, синтез яких різко посилюється при стресовому температурному впливі, тому їх називають ще hsp (heat shock proteins). Сімейства цих білків знайдені в мікробних, рослинних і тваринних клітинах. Класифікація шаперонов заснована на їх молекулярній масі, яка варіює від 10 до 90 kDa. Вони є білками-помічниками процесів утворення тривимірної структури білків. Шаперони утримують новосинтезовані поліпептидний ланцюг в розгорнутому стані, не даючи їй згорнутися в відмінну від нативної форму, і забезпечують умови для єдино правильною, нативной структури білка.
В процесі фолдинга білка деякі конформації молекули забраковивается на стадії розплавленої глобули. Деградацію таких молекул ініціює білок убіквітин. Деградація білка по убіквітіновому шляху включає дві основні стадії: 1) ковалентное приєднання убіквітину до підлягає деградації білку через залишок лізину, наявність такої мітки в білку є первинним сигналом сортування, направляє утворилися кон'югати до Протеасома, в більшості випадків до білка приєднується кілька молекул убіквітину, які організовані у вигляді намистин на нитці .; 2) гідроліз білка протеосомой (основна функція протеасоми - протеолітична деградація непотрібних і пошкоджених білків до коротких пептидів). Убіквітин заслужено називають «міткою смерті» для білка.
Домен білка - елемент третинної структури білка, що представляє собою досить стабільну і незалежну подструктуру білка, чий фолдінг проходить незалежно від інших частин. До складу домену зазвичай входить декілька елементів вторинної структури. Подібні за структурою домени зустрічаються не тільки в родинних білках (наприклад, в гемоглобін різних тварин), але і в абсолютно різних білках. Білок може мати кілька доменів, ці ділянки можуть виконувати різні функції в одному і тому ж білку. Доменну структуру мають деякі ферменти і все імуноглобуліни. Білки з довгими поліпептидними ланцюгами (більше 200 амінокислотних залишків) часто створюють доменні структури.