Уровни организации белковой молекулы

Патология белкового обмена

Белки – неразветвляющиеся полимеры, минимальная структурная единица которых – аминокислота (АК).

Аминокислоты соединены между собой пептидной связью. В состав белков входит 20 АК в альфа-форме, расположенных в различной, но строго определенной для каждого белка последовательности.

Белки организма включают около 16% азота, который в ряде методов является маркером вещества белкового происхождения.

Сведения о суммарном количестве белков плазмы (общий белок крови) получают обычно рефрактометрическим и фотометрическим биуретовыми методами.

Плазма крови человека в норме содержит более 100 видов белков.

Около 20% общего белка составляют альбумины, иммуноглобулины, липопротеиды, фибриноген, трансферрин и др.

Нормальные величины общего белка плазмы: 65-85 г/л.

Классификация аминокислот

I. По химическому строению

§ Алифатические – глицин (Гли), аланин (Ала), валин (Вал), лейцин (Лей), изолейцин (Илей);

§ Оксикислоты – серин (Сер), треанин (Тре);

§ Дикарбоновые – аспарагин (Асп), глутамин (Глу), аспарагиновая кислота (Аск), глутаминовая кислота (Глк);

§ Двуосновные – лизин (Лиз), гистидин (Гис), аргинин (Арг);

§ Ароматические – фениналанин (Фен), тирозин (Тир), триптофан (Три);

§ Серосодержащие – цистеин (Цис), метионин (Мет).

II. По биохимической роли:

§ глюкогенные – через ряд химических превращений поступают на путь гликолиза (окисления глюкозы) – Гли, Ала, Тре, Вал, Аск, Глк, Арг, Гис, Мет.

§ кетогенные – участвуют в образовании кетоновых тел - Лей, Илей, Тир, Фен.

III. По заменимости:

§ Незаменимые – не синтезируются в организме – Гис, Иле, Лей, Лиз, Мет, Фен, Тре, Три, Вал.

§ Заменимые – остальные.

За счет наличия в молекуле АК одновременно аминной и карбоксильной групп этим соединениям присущи кислотно-основные свойства. В нейтральной среде АК существуют в виде биполярных ионов - цвиттер-ионов т.е. не NH₂– –COOH , а NH₃⁺–R-COO ^– .

Если карбоксильная группа одной АК ацилирует аминогруппу другой АК, то образуется ковалентная амидная связь, которую называют пептидной. Т.о. пептиды – это соединения, образованные из остатков альфа-АК, соединенных между собой пептидной связью.

Рис. 16.1. Образование полипептида из аминокислот с помощью ковалентных пептидных (амидных) связей [http://www.nsu.ru/education/biology/molbiol/Lecture3/Lec32.htm].

Данная связь достаточно стабильна и разрыв ее происходит лишь при участии катализаторов – специфических ферментов. Посредством такой связи АК объединяются в достаточно длинные цепочки, которые носят название полипептидных. Каждая такая цепь содержит на одном конце АК со свободной аминогруппой – это N-концевой остаток, и на другом с карбоксильной группой – С-концевой остаток.

Полипептиды, способные самопроизвольно формировать и удерживать определенную пространственную структуру, которая называется конформацией, относят к белкам.

Стабилизация такой структуры возможна лишь при достижении полипептидами определенной длины, поэтому белками обычно считают полипептиды молекулярной массой более 5 000 Да. (1 Да равен 1/12 изотопа углерода). Только имея определенное пространственное строение, белок может функционировать.

Функции белков

1. Структурная (пластическая) – белками образованы многие клеточные компоненты, а в комплексе с липидами они входят в состав клеточных мембран.

2. Каталитическая – все биологические катализаторы – ферменты по своей химической природе являются белками.

3. Транспортная – белок гемоглобин транспортирует кислород, ряд других белков образуя комплекс с липидами транспортируют их по крови и лимфе (например, миоглобин, сывороточный альбумин).

4. Механохимическая – мышечная работа и иные формы движения в организме осуществляются при непосредственном участии сократительных белков с использованием энергии макроэргических связей (например, актин, миозин).

5. Регуляторная – ряд гормонов и других биологически активных веществ имеют белковую природу (например, инсулин, АКТГ).

6. Защитная – антитела (иммуноглобулины) являются белками, кроме того, основу кожи составляет белок коллаген, а волос – кератин. Кожа и волосы защищают внутреннюю среду организма от внешних воздействий. В состав слизи и синовиальной жидкости входят мукопротеиды.

7. Опорная – сухожилия, поверхности суставов соединения костей образованы в значительной степени белковыми веществами (например, коллаген, эластин).

8. Энергетическая – аминокислоты белков могут поступать на путь гликолиза, который обеспечивает клетку энергией.

9. Рецепторная – многие белки участвуют в процессах избирательного узнавания (рецепторы).

Уровни организации белковой молекулы

В современной литературе принято рассматривать 4 уровня организации структуры молекулы белка.

Последовательность аминокислотных остатков, соединенных между собой пептидной связью называют первичным уровнем организации белковой молекулы. Она кодируется структурным геном каждого белка. Связи: пептидная и дисульфидные мостики между относительно близко расположенными остатками цистеинов. Это ковалентные взаимодействия, которые разрушаются только под действием протеолитических ферментов (пепсин, трипсин и т.д.).

А	Б

Рис. 16.2. Первичная (А) и вторичная (В) структура белковой молекулы [http://him.1september.ru/ 2004/06/12.htm].

Вторичной структурой называют пространственное расположение атомов главной цепи молекулы белка. Существует три типа вторичной структуры: альфа-спираль, бета-складчатость и бета-изгиб. Образуется и удерживается в пространстве за счет образования водородных связей между боковыми группировками АК основной цепи. Водородные связи образуются между электроотрицательными атомами кислорода карбонильных групп и атомами водорода двух аминокислот.

Альфа-спираль – это пептидная цепь штопорообразно закрученная вокруг воображаемого цилиндра. Диаметр такой спирали 0,5 А. В природных белках обнаружена только правая спираль. Некоторые белки (инсулин) имеют две параллельные спирали. Бета-складчатость – полипептидная цепь собрана в равнозначные складки. Бета-изгиб – образуется между тремя аминокислотами за счет водородной связи. Он необходим для изменения пространственного расположения полипептидной цепи при образовании третичной структуры белка.

Третичная структура – это свойственный данному белку способ укладки полипептидой цепи в пространстве. Это основа функциональности белка. Она обеспечивает стабильность обширных участков белка, состоящих из множества аминокислотных остатков и боковых групп. Такие упорядоченные в пространстве участки белка формируют активные центры ферментов или зоны связывания. Повреждение третичной структуры приводит к утрате функциональной активности белка.

Рис. 16.3. Третичная структура белковой молекулы, образованная за счет ковалентных связей между остатками двух молекул цистеина (дисульфидные мостики) [http://www.nsu.ru/education/biology/molbiol/Lecture3/Lec34.htm].

Стабильность третичной структуры зависит в основном от нековалентных взаимодействий внутри белковой глобулы – преимущественно водородных связей, ван-дер-ваальсовых сил (ионных или электростатических) и гидрофобных взаимодействий. Но некоторые белки дополнительно стабилизируются за счет таких ковалентных взаимодействий как дисульфидные мостики межу остатками цистеина.

Большинство белковых молекул имеют участки как альфа-спирали так и бета-складчатости. Но чаще по форме третичной структуры разделяют глобулярные белки – построенные преимуществено из альфа-спиралей и имеющеие форму шара или элипса (большинство ферментов). И фибрилярные – состоящие пеимущественно из бета-складчатости и имеющие сплющенную или нитевидную формы (пепсин, белки соединительной такни и хряща).

Размещение в пространстве взаимодействующих между собой субъединиц, образованных отдельными полипептидными цепями, называется четвертичной структурой. Т.е. в формировании четвертичной структуры участвуют не пептидные цепи сами по себе, а глобулы, образованные каждой из этих цепей в отдельности. Четвертичная структура – это высший уровень организации белковой молекулы и он присущ далеко не всем белкам. Связи, формирующие эту структуру нековалентные: водородные, электростатические.

Рис. 16.4. Четвертичная структура молекулы гемоглобина [http://www.nsu.ru/education/biology/molbiol/Lecture3/Lec35.htm].

Фундаментальный принцип молекулярной биологии: последовательность аминокислотных остатков полипептидной цепи белка несет в себе всю информацию, которая необходима для формирования определенной пространственной структуры. Т.е. имеющаяся в данном белке аминокислотная последовательность предопределяет образование альфа- или бета-конформации вторичной структуры за счет образования между этими АК водородных или дисульфидных связей и в дальнейшем формирование глобулярной или фибрилярной структуры также за счет нековалентных взаиомдействий между боковыми учатками определенных аминокислот.

Классификация белков

I. По растворимости:

§ водорастворимые,

§ солерстворимые,

§ спирторастворимые,

§ нерастворимые,

§ прочие.

II. По конформационной структуре:

§ фибриллярные (коллагены, эластины, кератины),

§ глобулярные: альбумины, глобулины, гистоны (все ферменты и большинство БАВ).

III. По химическому строению:

1. Протеины – состоят только из аминокислот.

a) Альбумины – растворимы в воде, не растворимы в концентрированных растворах солей.

b) Глобулины – не растворимы в воде, растворимы в солевых растворах.

c) Гистоны – растворимы в воде, в слабоконцентрированных кислотах. Обладают выраженными основными свойствами. Это ядерные белки, они связаны с ДНК и РНК.

d) Склеропротеины – белки опорных тканей (хрящей, костей), шерсти, волос. Не растворимы в воде, слабых кислотах и щелочах.

§ коллагены – фибрилярные белки соединительной ткани. При длительном кипячении они растворяются в воде и при застудневании образуется желатин.

§ эластины – белки связок и сухожилий. По свойствам похожи на коллагены, но подвергаются гидролизу под действием ферментов пищеварительного сока;

§ кератин – входит в состав волос;

2. Протеиды – помимо АК имеют в составе небелковую часть (глико-, липо-, металло-, фосфо-, нуклео-, хромопротеиды)

a) Нуклеопротеиды – простетическая група – нуклеиновые кислоты. Среди многочисленных классов нуклеопротеидов наиболее изученными являются рибосомы, состоящие из нескольких молекул РНК и рибосомных белков, и хроматин – основной нуклеопротеид эукариотических клеток, состоящий из ДНК и структурообразующих белков – гистонов (содержатся в клеточном ядре и митохондриях).

b) Гемопротеиды - небелковый компонент этих протеидов – гем, построен из четырех пиррольных колец, с ними связан ион двухвалентного железа (через атомы азота). К таким белка относятся: гемоглобин, миоглобин, цитохромы. Этот класс белков еще называют хромопротеиды, поскольку гем является окрашенным соединением. Гемоглобин – транспорт кислорода. Миоглобин – запасание кислорода в мышцах. Цитохромы (ферменты) – катализ окислительно-восстановаительных реакций и электронный транспорт в дыхательной цепи.

c) Металлопротеиды – в состав простетической группы входят металлы. Цитохром а – содержит медь, сукцинатдегидрогеназа и др. ферменты содержат негеминовое железо (ферродоксин).

d) Липопротеиды – содержат липиды, входят в состав клеточных мембран

e) Фосфопротеиды – содержат остаток фосфорной кислоты

f) Глюкопротеиды – содержат сахара