Первичная структура белка несет информацию о его пространственной структуре

Аминокислотные остатки в пептидной цепи белков чередуются не случайным образом, а расположены в определенном порядке. Линейная последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи называется первичной структурой белка.

Первичная структура каждого индивидуального белка закодирована в молекуле ДНК (участке, называемом геном) и реализуется в ходе транскрипции (переписывания информации на мРНК) и трансляции (синтез пептидной цепи).

Каждый из 50 000 индивидуальных белков организма человека имеет уникальнуюдля данного индивидуального белка первичную структуру. Все молекулы индивидуального белка (например, альбумина) имеют одинаковое чередование аминокислотных остатков, отличающее альбумин от любого другого индивидуального белка.

Последовательность аминокислотных остатков в пептидной цепи можно рассматривать как форму записи некоторой информации.

Эта информация диктует пространственную укладку длинной линейной пептидной цепи в более компактную трехмерную структуру.

Линейные полипептидные цепи индивидуальных белков за счет взаимодействия функциональных групп аминокислот приобретают определенную пространственную трехмерную структуру, или конформацию. В глобулярных белках различают два основных типа конформации пептидных цепей: вторичную и третичную структуры.

2 Вторичная структура белков– это пространственная структура, образующаяся в результате взаимодействий между функциональными группами пептидного остова. При этом пептидная цепь может приобретать регулярные структуры двух типов: a-спирали и b-структуры.

В a-спираливодородные связи образуются между атомом кислорода карбоксильной группы и водородом амидного азота пептидного остова через 4 аминокислоты; боковые цепи аминокислотных остатков располагаются по периферии спирали, не участвуя в образовании водородных связей, формирующих вторичную структуру. Большие объемные остатки или остатки с одинаковыми отталкивающимися зарядами препятствуют формированию a-спирали.

Остаток пролина прерывает a-спираль благодаря его кольцевой структуре и невозможности образования водородной связи из-за отсутствия водорода у атома азота в пептидной цепи.

b-Структураформируется между линейными областями одной полипептидной цепи, образуя при этом складки, или между разными полипептидными цепями. Полипептидные цепи или их части могут формировать параллельные(N- и С-концы взаимодействующих пептидных цепей совпадают) или антипараллельные(N- и С-концы взаимодействующих пептидных цепей лежат в противоположных направлениях) b-структуры.

В белках также встречаются области с нерегулярной вторичной структурой, которые называются беспорядочными клубками,хотя эти структуры не так сильно изменяются от одной молекулы белка к другой.

3 Третичная структура белка- это трехмерная пространственная структура, образующаяся за счет взаимодействий между радикалами аминокислот, которые могут располагаться на значительном расстоянии друг от друга в пептидной цепи. Гидрофобные радикалы аминокислот имеют тенденцию к объединению внутри глобулярной структуры белков с помощью так называемых гидрофобных взаимодействийи межмолекулярных ван-дер-ваальсовых сил, образуя плотное гидрофобное ядро. Гидрофильные ионизированные и неионизированные радикалы аминокислот в основном расположены на поверхности белка и определяют его растворимость в воде.

Гидрофильные аминокислоты, оказавшиеся внутри гидрофобного ядра, могут взаимодействовать друг с другом с помощью ионных и водородных связей(рисунок 2.1).

Ионные, водородные и гидрофобные связи относятся к числу слабых: их энергия ненамного превышает энергию теплового движения молекул при комнатной температуре.

Конформация белка поддерживается за счет возникновения множества таких слабых связей.

4 Конформационная лабильность белков– это способность белков к небольшим изменениям конформации за счет разрыва одних и образования других слабых связей.

Третичная структура некоторых белков стабилизирована дисульфидными связями,образующимися за счет взаимодействия SН-групп двух остатков цистеина.

Большинство внутриклеточных белков не имеет ковалентных дисульфидных связей. Их наличие характерно для секретируемых клеткой белков, например, дисульфидные связи имеются в молекулах инсулина, иммуноглобулинов.

Инсулин- белковый гормон, синтезирующийся в b-клетках поджелудочной железы. Секретируется клетками в ответ на повышение концентрации глюкозы в крови. В структуре инсулина имеются две дисульфидные связи, соединяющие две полипептидные А- и В-цепи, и одна дисульфидная связь внутри А-цепи.

Особенности вторичной структуры белков оказывают влияние на характер межрадикальных взаимодействий и третичную структуру.

5Некоторый специфический порядок чередования вторичных структур наблюдается во многих разных по структуре и функциям белках и носит название супервторичной структуры.

Такие упорядоченные структуры часто обозначают как структурные мотивы,которые имеют специфические названия: «a-спираль—поворот—a-спираль», «лейциновая застежка-молния», «цинковые пальцы», «структура b-бочонка» и др.

По наличию a-спиралей и b-структур глобулярные белки могут быть разделены на 4 категории:

1 В первую категорию включены белки, в которых имеются только a-спирали, например миоглобин и гемоглобин.

2 Во вторую категорию включены белки, в которых имеются a-спирали и b-структуры. При этом a- и b-структуры часто образуют однотипные сочетания, встречающиеся в разных индивидуальных белках (фермент триозофосфатизомераза).

3 В третью категорию включены белки, имеющие только вторичную b-структуру. Такие структуры обнаружены в иммуноглобулинах.

4 В четвертую категорию включены белки, имеющие в своем составе лишь незначительное количество регулярных вторичных структур. К таким белкам можно отнести небольшие богатые цистином белки или металлопротеины.

Таким образом, все молекулы индивидуального белка, имеющие идентичную первичную структуру, приобретают в растворе одинаковую конформацию.

Характер пространственной укладки пептидной цепи определяется аминокислотным составом и чередованием аминокислотных остатков в цепи.Следовательно, конформация - такая же специфическая характеристика индивидуального белка, как и первичная структура.

Задания

1 Дайте определение вторичной, супервторичной, третичной структур, конформации белков.

2 Напишите формулу гексапептида, содержащего два аминокислотных остатка с гидрофобными радикалами, два - с катионными радикалами, по одному - с гидрофильными незаряженными и анионными радикалами.

На рисунке:

а) подчеркните пептидные связи;

б) покажите пунктиром связи, возникновение которых приводит к образованию a-спирали;

в) выпишите аминокислотные остатки пептида, радикалы которых могут участвовать в гидрофобных взаимодействиях (а), в образовании водородных (б) и ионных (в) связей.

1 Аминокислота, располагающаяся преимущественно внутри белковой глобулы.

2 Аминокислота, способная образовать ионную связь с Лиз.

3 Аминокислота, образующая водородную связь с Асп.

А) Глицин.

Б) Аспарагиновая кислота.

В) Лейцин.

Г) Аргинин.

Д) Серин.

1 Предпочтительное расположение - на поверхности белковой молекулы.

2 Взаимодействие их функциональных групп формирует вторичную структуру.

3 Предпочтительное расположение - внутри белковой молекулы.

4 Участвуют в формировании третичной структуры.

А) Неполярные радикалы аминокислот.

Б) Полярные анионные радикалы.

В) Оба.

Г) Ни один.

5 Какому уровню структурной организации белка соответствует каждый тип связи?

1 Связь между карбоксильными и аминогруппами радикалов аминокислот.

2 Связь между a-амино- и a-карбоксильными группами аминокислот.

3 Водородные связи между атомами пептидного остова.

4 Слабые связи между функциональными группами аминокислот.

А) Вторичная структура.

Б) Третичная структура.

В) Обе.

Г) Ни одна.

1 Участвуют в формировании вторичной структуры.

2 Участвуют в формировании первичной структуры.

3 С этих связей начинает формироваться третичная структура.

4 Наиболее редко встречающаяся связь в третичной структуре.

А) Водородные связи.

Б) Ионные связи.

В) Гидрофобные связи.

Г) Пептидные связи.

Д) Дисульфидные связи

7. Выберите верные утверждения:

А) Активный центр формируется на уровне первичной структуры.

Б) Конформация белка жестко зафиксирована ковалентными связями.

В) Первичная структура белка содержит информацию о его конформации.

Г) Активный центр белка формируется на уровне третичной структуры.

Д) В формировании конформации белка участвуют слабые связи.

2.2 Контрольные вопросы

1 Что такое первичная структура белка?

2 Что такое вторичная структура белка? Объясните механизм образования a-спирали и b-структуры.

3 Третичная структура белков. Объясните природу образования связей, стабилизирующих белковую молекулу.

4 Что такое супервторичная структура? На какие категории можно разделить глобулярные белки в зависимости от наличия в них a-спиралей и b-структур?

5 Четвертичная структура.