Характеристики, b-структура, b-огъване. Свръхсекундарни (над-вторични) протеинови структури

22.07.2020

Изпратете вашата добра работа в базата знания е проста. Използвайте формуляра по-долу

Студенти, аспиранти, млади учени, които използват базата от знания в своето обучение и работа, ще ви бъдат много благодарни.

публикувано на http://www.allbest.ru/

1. Структурна организация на протеините

Всеки протеин се характеризира със специфична аминокиселинна последователност и индивидуална пространствена структура (конформация). Протеините представляват поне 50% от сухото тегло органични съединенияживотинска клетка. В човешкото тяло има до 5 милиона. различни видовепротеини. Протеинова молекула може да се състои от една или повече вериги, съдържащи от петдесет до няколкостотин (понякога повече от хиляда) аминокиселинни остатъци. Молекулите, съдържащи по-малко от петдесет остатъка, се наричат пептиди. Много молекули съдържат цистеинови остатъци, чиито дисулфидни връзки ковалентно свързват части от една или повече вериги. В естественото състояние протеиновите макромолекули имат специфична конформация. Характерната конформация на даден протеин се определя от последователността на аминокиселинните остатъци и се стабилизира чрез водородни връзки между пептида и страничните групи аминокиселинни остатъци, както и от електростатични и хидрофобни взаимодействия.

2. Първична протеинова структура: методи за изследване

Структурни характеристики на пептидната връзка.

Пептидната връзка се образува чрез реакцията на аминогрупата на един амино

киселина и друга карбоксилна група с отделянето на водна молекула:

CH3-CH (NH2) -COOH + CH3- CH (NH2) -COOH> CH3-CH (NH2) -CONH- (CH3) CH-COOH + H2O

Аминокиселините, свързани с пептидна връзка, образуват полипептидна верига. Пептидната връзка има равнинна структура: атомите С, О и N са в sp2 хибридизация; атомът N има р-орбитала с уединена двойка електрони; образува се p-p-конюгирана система, водеща до скъсяване на връзката С? N (0.132 nm) и ограничаване на въртенето (бариерата на въртене е ≈63 kJ / mol). Пептидната връзка има предимно транс-конфигурация спрямо равнината на пептидната връзка. Тази структура на пептидната връзка влияе върху образуването на вторична и третична структура на протеина. Пептидната връзка е твърда, ковалентна, генетично детерминирана. В структурните формули тя е изобразена като единична връзка, но всъщност тази връзка между въглерод и азот е частично двойна връзка:

Това се дължи на различната електроотрицателност на атомите C, N и O. Въртенето около пептидната връзка е невъзможно, и четирите атома лежат в една и съща равнина, т.е. копланарен. Въртенето на други връзки около полипептидния скелет е доста безплатно.

Първичната структура е открита от професора от Казанския университет А.Я. Данилевски през 1989 г. През 1913 г. Е. Фишер синтезира първите пептиди. Аминокиселинната последователност за всеки протеин е уникална и генетично фиксирана

Фиг. 1.2 Образуване на дипептид

За да се определи първичната структура на отделна, химически хомогенна полипептидна верига, аминокиселинният състав се определя чрез хидролиза: съотношението на всяка от двадесетте аминокиселини в проба от хомогенен полипептид. След това продължете да определяте химическата природа на крайните аминокиселини на полипептидната верига, съдържаща една свободна NH2 група и една свободна COOH група.

За да се определи естеството на N-крайната аминокиселина, са предложени редица методи, по-специално методът на Sanger (за своето развитие F. Sanger е удостоен с Нобелова награда през 1958 г.). Този метод се основава на реакция на полипептидно арилиране с 2,4-динитрофлуоробензен. Полипептидният разтвор се третира с 2,4-динитрофлуоробензен, който взаимодейства със свободната β-амино група на пептида. След кисела хидролиза на реакционния продукт само една аминокиселина се свързва с реагента под формата на 2,4-динитрофениламинокиселина. За разлика от други аминокиселини, той е жълт на цвят. Той се изолира от хидролизата и се идентифицира чрез хроматография.

За определяне на С-крайната аминокиселина често се използват ензимни методи. Обработката на полипептида с карбоксипептидаза, която разкъсва пептидната връзка от края на пептида, съдържащ свободната СООН група, води до освобождаване на С-крайната аминокиселина, чиято природа може да бъде идентифицирана чрез хроматография. Съществуват и други методи за определяне на С-крайната аминокиселина, по-специално химичния метод Akabori, основан на хидразинолизата на полипептида. Следващият етап от работата е свързан с определянето на аминокиселинната последователност в полипептида. За да направите това, първо извършете частична (химическа и ензимна) хидролиза на полипептидната верига на къси пептидни фрагменти, чиято последователност може да бъде точно определена. След хидролиза с помощта на електрофореза и хроматография се съставят пептидни карти. След това се установява последователността на аминокиселините в изолираните пептиди и първичната структура на цялата молекула.

Вторична структура на протеините: b - спирала, основните й характеристики, c - структура, c - огъване. Роля водородни връзкипри формирането на вторичната структура .. Суперсекундарни (над-вторични) структури на протеина.

Вторична структура? това е пространственото разположение на полипептидната верига под формата на b-спирала или b-сгъване, независимо от видовете странични радикали и тяхната конформация. L. Pauling и R. Corey предложиха модел на вторичната структура на протеин под формата на b-спирала, при който водородните връзки са затворени между всяка първа и четвърта аминокиселина, което ви позволява да запазите естествената структура на протеин, изпълняват най-простите функции и предпазват от разрушаване. Всички пептидни групи участват в образуването на водородни връзки, което осигурява максимална стабилност, намалява хидрофилността и увеличава хидрофобността на протеиновата молекула. b-спиралата се образува спонтанно и е най-стабилната конформация, съответстваща на минимума на свободната енергия.

Най-често срещаният елемент на вторичната структура е дясната b-спирала (b R).

Пептидната верига се огъва спираловидно тук. Всеки завой има 3,6 аминокиселинни остатъка, стъпката на винта, т.е. минималното разстояние между две еквивалентни точки е 0,54 nm; b-спиралата се стабилизира чрез почти линейни водородни връзки между NH-групата и CO-групата на четвъртия аминокиселинен остатък. По този начин, в удължени спирални области, всеки аминокиселинен остатък участва в образуването на две водородни връзки. Неполярни или амфифилни b-спирали с 5-6 оборота често осигуряват закотвяне на протеини в биологични мембрани (трансмембранни спирали). Лявата b-спирала (bL), огледално симетрична по отношение на b R-спиралата, е изключително рядка в природата, въпреки че е енергийно възможна. Усукването на протеиновата полипептидна верига в спираловидна структура се дължи на взаимодействието между кислорода на карбонилната група на i-тия аминокиселинен остатък и водорода на амидогрупата (i + 4) - аминокиселинен остатък чрез образуването на водородни връзки:

Фиг. 1.3 (а) Азотните атоми са показани в синьо, а кислородните атоми - в червено. Оранжевото изобразява водородни връзки, образувани между съответните азотни и кислородни атоми. Азотните атоми са изобразени в сини спирали. А оранжевото показва водородните връзки, образувани между кислородните и азотните атоми, съответстващи на правилото

Фигура 1.3 (б) Вторична структура на протеина: алфа спирала

Друга форма на спирала присъства в колагена, съществен компонент на съединителната тъкан. Това е лява спирала на колаген със стъпка от 0,96 nm и с остатък от 3,3 на всеки завой е по-плоска в сравнение с b-спиралата. За разлика от b-спиралата, образуването на водородни мостове тук е невъзможно. Структурата се стабилизира чрез усукване на три пептидни вериги в дясна тройна спирала. Наред с β-спиралите, β-структурите и β-огъването също участват в образуването на вторичната структура на протеина. За разлика от кондензираната b-спирала, b-слоевете са почти напълно удължени и могат да бъдат разположени както паралелно, така и антипаралелно. В сгънатите структури също се образуват напречни междуверижни водородни връзки.Ако веригите са ориентирани в противоположни посоки, структурата се нарича антипаралелно сгънат лист (wb); ако веригите са ориентирани в една посока, конструкцията се нарича успоредно сгънат лист (bn). В сгънати структури b-C атомите са разположени в завоите, а страничните вериги са ориентирани почти перпендикулярно на средната равнина на листа, последователно нагоре и надолу.

WB-сгънатата структура с почти линейни H-мостове се оказва енергийно предпочитана. В опънати сгънати листове отделните вериги най-често не са успоредни, а донякъде извити един спрямо друг.

Фиг. 1.4 Бета-сгъната протеинова структура

В допълнение към редовните, в полипептидните вериги има и неправилни вторични структури, т.е. стандартни структури, които не образуват дълги периодични системи. Това са B-завои, те се наричат така, защото те често издърпват върховете на съседни B-нишки в антипаралелни B-фиби). Обикновено завоите включват около половината от остатъците, които не са попаднали в правилните структури на протеините.

Супер вторична структура? това е по-високо ниво на организация на протеинова молекула, представено от ансамбъл от взаимодействащи вторични структури:

1.b-спирала? две антипаралелни зони, които взаимодействат с хидрофобни допълващи се повърхности (съгласно принципа "корито-изпъкналост");

2. суперсвиване на b-спиралата;

3.WHV? две паралелни секции във веригата;

4. на зигзаг.

Има различни начини за сгъване на протеиновата верига:

Фиг. 1.5 Методи за полагане на протеиновата верига

Доменът е компактна кълбовидна структурна единица в рамките на полипептидна верига. Домените могат да изпълняват различни функции и да се сгъват в независими компактни кълбовидни структурни единици, свързани помежду си от гъвкави области в протеиновата молекула.

Фиг. 1.6 Мотиви за полагане на протеиновата верига и орнаменти върху индийски и гръцки вази. Отгоре: мотив на меандър; средата: гръцки ключов мотив; отдолу: зигзагообразен мотив - „мълния“.

3. Вторична структура на протеините: конформации на полипептидната верига

За да се разбере структурата на протеина, е необходимо да се разгледат възможните конформации на полипептидната верига.Те се определят преди всичко от плоската структура на пептидната връзка -CO - NH-. Структурните параметри на пептидните единици , установени в резултат на рентгенови изследвания на пептиди и сродни съединения, са представени в табл.

Таблица 1. Структурни параметри на пептидните единици: дължини на връзките и ъгли между тях X и Y-атоми, с които въглеродът е свързан както в основната верига, така и в свързването на радикали.

Напълно удължена верига (без деформация на ъглите на връзката и промени в дължините на връзката) има трансформация с нулеви ъгли на въртене, но тази конформация не е най-стабилна. Иминови атоми групи N-Hобразуват водородни връзки с кислородни атоми на карбонилни групи. Намирането на най-стабилната конформация изисква свеждане до минимум на общата й енергия, включително енергията на вътремолекулните водородни връзки.

Полинг и Кори определят най-стабилните конформации на полипептидната верига въз основа на данните от рентгенови структурни изследвания и разглеждане на пълното опаковане на вериги с максимален брой водородни връзки. Има три такива конформации: първо, вече известната b-спирала. Характеризира се с въртене около оста с 54 nm.

Водородните връзки се образуват между C = O групата на тази група и N-H групата на четвъртата предходна единица. Такива връзки се осъществяват между всички аминокиселинни остатъци, с изключение на пролил (Pro), който не съдържа N-H група. B-спиралата може да бъде както дясна, така и лява. В първия случай ъглите = 132 ?? и = 123 ?? , във втория = 228 ?? и = 237 ?? съответно.

Втората и третата конформации с максимално насищане на водородни връзки са паралелни и антипаралелни В-форми.Това не е единична верижна конформация, а набор от вериги, които образуват слоеста структура. Веригите в тази форма нямат плоска транс структура. В паралелна форма ъглите са 61? и 239? съответно, в антипаралелен - 380? и 325?.

Възможността за образуване на бета-форма в отделна полипептидна верига също е много важна. Това са така наречените кръстосани бета форми. На местата на завои ъглите на завоите имат стойности, които се различават от тези, присъщи на подредените участъци.

Фиг. 1.7 Регулярни вторични структури - алфа спирала, паралелен бета списък, антипаралелен бета списък

По този начин водородните връзки стабилизират конформациите на полипептидната верига в разтвор. Наличието на вторична структура с периодичност означава, че веригата е подобна на кристал: алфа-спиралата е подобна на едноизмерен кристал, бета-формата е като двуизмерен кристал.

Фиг. 1.8 Спомагателни взаимодействия: водородни връзки

Алфа и бета формите в частност не са единствените. Например, фибриларните протеини имат различни конформации.

Нека сега разгледаме зависимостите на енергиите на полипептидната верига от ъглите на вътрешно въртене - така наречените стерични карти, подобни на геодезичните.

Конформационната енергия на веригата се определя от слабото взаимодействие на валентни несвързани атоми. Като последствие плоска структурана пептидната група, ъглите на въртене на i-тата единица са практически независими от ъглите на въртене на съседни единици. И ако ъглите на въртене на i-тата връзка варират в диапазона от стойности, които не са забранени от припокриването на атоми на пептидните групи, свързани чрез връзки на i-та и (i + 1) -та връзка, и ако ъглите (i + 1) варират едновременно, тогава няма такава комбинация от тези четири ъгъла, при която да е възможно стерично взаимодействие на i-тата и (i + 2) -тата връзки. По този начин полипептидната верига има ограничена кооперативност и близките й взаимодействия са ограничени от близките й съседи. Това ни позволява да разгледаме отделно конформационните енергии за отделни конформационни остатъци. Стеричната карта за даден остатък по същество зависи от естеството на неговия радикал R.

Може да се предположи, че взаимодействията в дадена двойка пептидни групи характеризират аминокиселинния остатък, свързващ тези групи.Рамачардан изучава глицил-L-аланиновия дипептид и получава конформационна (стерична карта за аланин).

Фиг. 1.9 Двумерно разпределение на плътността на вероятността върху торсионните ъгли.

Най-често посещаваните райони са с по-тъмен цвят. За аминокиселинните остатъци, двумерни разпределения върху торсионните ъгли w, q ,? Сред възможните варианти на двумерни разпределения обикновено се обръща специално внимание на сечението под ъглите w, c.

Фиг. 2.1 Рамачандранска карта за аминокиселинен остатък.

Конформациите, които могат да бъдат постигнати с който и да е остатък от амитна киселина, са показани в тъмно сиво. Повечето аминокиселини могат да колонизират светлосивите области. Бялото означава забранени конформации, които обаче могат да се появят в някои протеинови структури.

Изчисляването е извършено въз основа на най-простото предположение за атомите като твърди сфери с радиуси на ван дер Ваалс, определени от данни за междуатомните разстояния в молекулярните кристали. В таблицата са изброени тези разстояния, най-често наблюдавани в кристали, и минималните разстояния, наблюдавани само в няколко случая.

Таблица 2. Контактни разстояния между атомите в полипептидите

Двойка атоми	Типично разстояние, нм	Минимално разстояние, нм	Двойка атоми	Типично разстояние, нм	Минимално разстояние, нм

4. Третична структура на протеините. Видове нековалентни връзки, които стабилизират третичната структура. Ролята на S - S - мостовете при формирането на третичната структура на някои протеини

Третична структура се разбира като пространствено разположение на полипептидната верига (начинът, по който веригата е сгъната в определен обем). Нековалентните връзки играят основната роля за стабилизиране на пространствената структура. Те включват водородни връзки, електростатични взаимодействия на заредени групи, междумолекулни сили на ван дер Ваалс, взаимодействия на неполярни странични радикали на аминокиселини (хидрофобни взаимодействия) и дипол-диполни взаимодействия. В допълнение, дисулфидните връзки (S-S мостове) играят важна роля за формирането на третичната структура:

Фиг. 2.2 (а) Образуване на дисулфидни връзки

Фиг. 2.2 (б) Образуване на дисулфидни връзки

Дисулфидните връзки се образуват по време на окисляването на цистеиновите остатъци, близки по пространствената структура на протеина до цистиновите остатъци. Смята се, че дисулфидните връзки, често многократни, са особено важни за стабилизирането на малки протеини, при които не може да възникне обширна система от нековалентни взаимодействия.

Третичната структура е уникална за всяко протеиново местоположение в пространството на полипептидната верига, в зависимост от броя и редуването на аминокиселини, т.е. предопределени от първичната структура на протеина. Конфигурацията на протеиновите молекули може да бъде фибриларна и кълбовидна. Третичната структура на много протеини се състои от няколко компактни глобули, наречени домейни. Домените обикновено са свързани с тънки мостове.

Третична структура на протеините. Хемоглобин и миоглобин: конформационни пренареждания. Известно е, че естествената, триизмерна структура на протеина се установява в резултат на действието на редица енергийни и ентропични фактори. Характерните времена на много вътремолекулни промени, включително ензимни процеси в хилядни от секундата, зависят от pH, температурата и йонния състав на средата. По този начин промените в йонната хомеостаза могат пряко да повлияят на структурните промени в клетъчните протеини и съответно върху тяхната функция и активност. Нека разгледаме като пример конформационните пренареждания на протеините, пренасящи кислород, хемоглобин и миоглобин. Структурата на тези протеини, които са в кристална форма, е подробно проучена чрез рентгенов дифракционен анализ. Пространството между алфа-спиралните области, включително кухината на активния център на хем групата вътре в протеиновите молекули, е запълнено с хидрофобни странични вериги от аминокиселини и в околните водна средаизпъкват много полярни протеинови вериги. Молекулата на хемоглобина се състои от четири субединици (две b и две c), образуващи правилен тетрамер. Водните молекули, локализирани в зоната на контактите на субединиците, образуват солни мостове и допълнително стабилизират тетрамера. Желязото може да бъде в състояние на високо и ниско спин, в зависимост от това как d-орбиталата се запълва с електрони, което се определя от правилото на Хунд. В тази връзка запълването на външните d-орбитали на железни и тривалентни железни йони с електрони е характерно за свободните йони или йони в състава на съединения с йонна връзка. Ситуацията се променя, когато атомите на желязото са в комплекс, където те са свързани с атомите на лиганда чрез ковалентна връзка и са част от хема. Трябва да се подчертае, че спиновото състояние на централния атом в комплекса се определя от естеството на лигандната среда: симетрия, силата на свързване на лиганда в комплекса и т.н. Поради това промените в лигандната среда могат да доведат до промени в спиновото състояние на металния йон, което от своя страна може да причини промени в конформацията на протеина, към който е свързан металният йон. Промени в спиновото състояние на железните йони, предизвикани от добавянето на субстрати и температурни промени, са демонстрирани за редица хемопротеини. Преходът на железния йон от ниско спиново състояние към високо спиново състояние увеличава диаметъра на йона и води до изтеглянето му от равнината на хема, което причинява конформационни промени в най-близката протеинова „среда“.

Във високоспиновото състояние двувалентният железен йон има координационен номер 5 и се намира извън равнината на хема на разстояние 0,05-0,07 nm. Той е координирано свързан с четири атома от азотно-пиролните групи на равнинната порфиринов пръстен и на 5-то място взаимодейства с N атома на имидазоловия пръстен на хистидин ... Кислородът и образуването на връзка кислород-желязо не променят валентността на железния атом, но го прехвърлят от високо спиново състояние в ниско спиново състояние, увеличавайки броя на лигандите в координационната сфера до 6. В 6-та позиция, желязото се координира с кислород или други лиганди.

Фиг. 2.3 (а) Опростена диаграма на структурата на хемоглобина

Прикрепването на кислород предизвиква редица конформационни промени в молекулата на хемоглобина.Свързването на кислорода с прехвърлянето на железния атом в ниско спиново състояние е придружено от едновременно изместване на желязото с 0,07 nm в равнината на хемната група Това изместване се предава чрез хистидин и спиралата, заедно с него, се "изтегля" към хема към центъра на молекулата, изтласквайки остатъка от тирозин от кухината, след което има постепенно разкъсване на солни мостове между b-субединици и тяхното преместване по контактната площ. Разстоянието между хема и β-субединиците се увеличава, докато между хема и β-субединиците, напротив, намалява. В този случай централната кухина на хема е компресирана. Разкъсването на четири солни моста от шест по време на оксигенирането на първите две b-субединици насърчава разрушаването на другите два моста и следователно улеснява връзката на следващите кислородни молекули с останалите субединици, увеличавайки афинитета им към кислорода с няколко сто пъти. Това е кооперативният характер на добавянето на кислород към хемоглобина, при което началото на оксигенирането на последния улеснява свързването на други кислородни молекули.

Използването на лазерно лъчение с дължина на абсорбционната вълна в обхвата на B-лентата на порфирин и близо до него дава възможност да се запишат RRC спектрите на протопорфирините в цели клетки (еритроцити) .В тези спектри линии, разположени в района на 1000 -1650 / cm, които се дължат на вибрации в равнината на CC връзки, доминират. И C-N и деформация колебания CH... Някои от тях са повлияни от химични трансформации с железен атом и могат да бъдат използвани за изследване на структурата на макроцикъла. Когато степента на окисление на железния атом се промени от тривалентен на двувалентен, се наблюдава намаляване на честотата на скелетните вибрации на порфирин. Положението на тази и други характерни ленти от RR спектъра отразява популацията на p-орбиталите на порфирина с електрони. С увеличаването му връзките в порфирина стават по-слаби, което се отразява в намаляване на честотата на вибрациите. Популацията на тези орбитали се увеличава поради обратния преход на електрони от р-орбиталите на железния атом. Тъй като процесът е по-изразен за черното желязо, лентите, характеризиращи степента на окисление, се изместват към по-ниски честоти за хем с точно такова желязо. При този подход всеки ефект (включително промяна в степента на окисление на железните атоми), който причинява промени в разпределението на електроните в порфирина, може да повлияе на честотата на съответните характерни линии. Тази честота се променя значително, например ако аксиален лиганд с р-орбитала може да взаимодейства с порфириновите орбитали чрез dp-електроните на железния атом. Аксиалният р-електронен донор води до допълнителен преход на dp-електроните на железния атом към р-орбиталата на порфирина и причинява намаляване на честотата на лентите, характеризиращи състоянието на окисление, до нетипични стойности.

Фиг. 2.3 (б) Модел на третичната структура на молекулата на миоглобина (според J. Kendrew). Структурните домейни са обозначени с латински букви, скъпоценните камъни са означени с червено.

Фигура 1.7 (в) насищане на миоглобин и хемоглобин с кислород

Когато белтъчната глобула се коагулира, значителна част (най-малко половината) от хидрофобните радикали на аминокиселинни остатъци е скрита от контакт с водата около протеина. Настъпва образуването на един вид вътремолекулни "хидрофобни ядра". Те са особено представени от обемисти остатъци от левцин, изолевцин, фенилаланин, валин.

С появата на третична структура, протеинът придобива нови свойства - биологични. По-специално, проявата на каталитични свойства е свързана с наличието на третична структура в протеина. И обратно, нагряването на протеини, което води до разрушаване на третичната структура (денатурация), също води до загуба на биологични свойства.

5. Кватернерна структура на протеините. Броят и видовете субединици, взаимодействия между субединици, стабилизиращи кватернерната структура. Функционално значение на кватернерната структура на протеините

Кватернерна структура? това е надмолекулярна формация, състояща се от две или повече полипептидни вериги, свързани заедно нековалентно, но чрез водородни връзки, електростатични, дипол-диполни и хидрофобни взаимодействия между аминокиселинните остатъци на повърхността. Пример за това е молекулата на хемоглобина, вирусът на тютюневата мозайка (2130 субединици).

Всеки от протеините, участващи в третичната структура по време на образуването на кватернерната структура, се нарича субединица или протомер. Получената молекула се нарича олигомер или мултимер. Олигомерните протеини често се изграждат от четен брой протомери с еднакви или различни молекулни тегла. При образуването на кватернерната структура на протеина участват същите връзки, както при образуването на третичната структура, с изключение на ковалентните връзки.

Комбинацията от протеинови молекули с третична структура без появата на нови биологични свойства се нарича агрегирано състояние. Както четвъртичната структура, така и агрегираното състояние могат да бъдат обратимо унищожени с помощта на детергенти, по-специално натриев додецил сулфат или нейоногенни детергенти като Triton. Много често, за да се разруши кватернерната структура, изследваният протеин се загрява при 100 ° С в присъствието на 1% 2-меркаптоетанол и 2% натриев додецил сулфат. При такива условия се възстановяват -S-S-връзките между Cys остатъците, които в някои случаи запазват субединиците на кватернерната структура. Субединиците, които образуват кватернерната структура на протеина, могат да бъдат различни както по структура, така и по функционални свойства (хетеромери). Това ви позволява да комбинирате няколко взаимосвързани функции в една структура, за да създадете полифункционална молекула. Например, в протеин киназа, стехиометрията на структурата на червея, която съответства на формулата C2R2, субединицата С е отговорна за ензимната активност, осъществявайки трансфера на фосфатен остатък от АТФ към протеин; субединицата R е регулаторна. При липса на цикличен AMP, последният е свързан със С-субединицата и го инхибира. Когато се образува комплекс с сАМР, кватернерната структура се разпада и С-субединиците са способни да фосфорилират протеиновите субстрати. В хомомерните протеини субединиците са еднакви.

По-голямата част от протеините с четвъртична структура са димери, тетрамери и хексамери; последните се намират в протеини с молекулно тегло над 100 kDa.

Характерна особеност на протеините с четвъртична структура е способността им да се самосглобяват. Взаимодействието на протомери се осъществява с висока специфичност, поради образуването на десет слаби връзки между контактните повърхности на субединиците, следователно грешките при формирането на кватернерната структура на протеините са изключени. Почти всички ензимни протеини имат кватернерна структура и се състоят, като правило, от четен брой протомери (два, четири, шест, осем). Четвъртичната структура на протеина предполага такава комбинация от протеини от третичната структура, при която се появяват нови биологични свойства, които не са характерни за протеин в третична структура. По-специално, такива ефекти като кооперативни и алостерични са характерни само за протеини с кватернерна структура. Кватернерната структура е последното ниво в организацията на протеинова молекула и не е необходимо - до половината от известните протеини не разполагат с нея.

Литература

протеинова биофизика полипептид

1. Биохимия и молекулярна биология. Версия 1.0 [Електронен ресурс]: бележки за лекции / Н.М. Титова, А. А. Савченко, Т. Н. Zamay и други - Electron. Дан. (10 Mb). - Красноярск: IPK SFU, 2008.

2 Ревин В.В. Биофизика: Учебник / В.В. Ревин, Г.В. Максимов, О.Р. Коулс; Под редакцията на проф. А.Б. Рубина.-Саранск: Издателство на Мордов. Университет, 2002. 156 с.

3. М.В. Фолкенщайн. Биофизика М.: Наука, 1988.-592 с.

Публикувано на Allbest.ru

...

Подобни документи

Структурата и свойствата на протеините. Различия в структурата на аминокиселините. Пространствена организация на протеинова молекула. Видове връзки между аминокиселини в протеинова молекула. Основните фактори, причиняващи денатурация на протеини. Методи за определяне на първичната структура на протеин.

резюме добавено на 15.05.2010

Оценка на сегашното административно-териториално устройство на Русия. Изследване на протеини. Класификация на протеини. Състав и структура. Химични и физични свойства. Химичен синтез на протеини. Стойността на протеините.

резюме добавено на 13.04.2003

Характеризиране на протеините като съединения с високо молекулно тегло, тяхната структура и образуване, физикохимични свойства. Ензими за храносмилане на протеини в храносмилателния тракт. Абсорбция на продукти от разграждането на протеини и използване на аминокиселини в телесните тъкани.

резюме, добавено на 22.06.2010

основни характеристики, класификация, структура и синтез на протеини. Хидролиза на протеини с разредени киселини, цветни реакции към протеини. Значението на протеините в приготвянето на храни и хранителните продукти. Нуждата и смилаемостта на човешкото тяло от протеини.

курсова работа, добавена на 27.10.2010

Роля в дивата природа. Съставът и свойствата на протеините. Класификация на протеини. Определяне на структурата на протеините. Определяне на наличието на протеин. Идентифициране на протеини и полипептиди. Синтез на пептиди. Изкуствено производство на протеин. Аминокиселини.

резюме, добавено на 12/01/2006

Общи начини за метаболизъм на аминокиселини. Стойността и функцията на протеините в организма. Норми на протеини и биологична стойност. Източници и начини за използване на аминокиселини. Азотен баланс. Панкреатичен сок. Храносмилане на сложни протеини. Концепция за трансаминиране.

презентация добавена на 10/05/2011

Аминокиселини, които изграждат пептиди и протеини. Моноаминодикарбоксилни киселини и техните амиди. Енантиомеризъм на аминокиселини, образуване на сол. Мезомеризъм и структурата на пептидната връзка. Методи за изолиране и анализ на протеини. Електрофореза в полиакриламиден гел.

презентация добавена 16.12.2013

Основното химични елементикоито съставляват протеини. Протеините са полимери, мономерите на които са аминокиселини. Структурата на аминокиселините, нивата на организация на протеиновите молекули. Протеинови структури, основни свойства на протеините. Денатурация на протеини и нейните видове.

презентация добавена на 15.01.2011

Общи принципи на препаративната химия на протеините, особености на тяхното изолиране. Отстраняване на непротеинови примеси, отделяне на самите протеинови компоненти. Характерни свойствапротеини, на които се основава разделянето, гел хроматография (гел филтрация).

научна работа, добавена на 17.12.2009

Общ анализ на взаимодействието на ПАВ (ПАВ) с полимери. Особености на белтъчната дифилност. Относителен вискозитет на желатиновите разтвори в зависимост от концентрацията на добавен натриев додецил сулфат. Ролята на протеиновите взаимодействия с повърхностноактивни вещества.

Вторична протеинова структураЕ метод за сгъване на полипептидна верига в по-компактна структура, при която взаимодействието на пептидните групи се случва с образуването на водородни връзки между тях.

Образуването на вторичната структура е причинено от тенденцията на пептида да приеме конформацията с най-голям бройвръзки между пептидни групи. Типът на вторичната структура зависи от стабилността на пептидната връзка, подвижността на връзката между централния въглероден атом и въглерода на пептидната група и размера на аминокиселинния радикал. Всичко това, заедно с аминокиселинната последователност, впоследствие ще доведе до строго определена белтъчна конфигурация.

Има два възможни варианта на вторичната структура: под формата на "въже" - α-спирала(α-структура) и под формата на "акордеон" - β-плисиран слой(β-структура). В един протеин, като правило, двете структури присъстват едновременно, но в различни пропорции. В глобуларните протеини преобладава α-спиралата, във фибриларните протеини β-структурата.

Формира се вторична структура само с участието на водородни връзкимежду пептидни групи: кислородният атом на едната група реагира с водородния атом на втората, докато кислородът на втората пептидна група се свързва с водорода на третата и т.н.

α-спирала

Тази структура е дясна спирала, образувана от водородвръзки между пептидни групи 1-ви и 4-ти, 4-ти и 7-ми, 7-и и 10-и и така нататък аминокиселинни остатъци.

Предотвратява се образуването на спирала пролини хидроксипролин, които поради своята циклична структура причиняват "скъсване" на веригата, т.е. принудителното му огъване, например в колагена.

Височината на завъртане на спиралата е 0,54 nm и съответства на височината на 3,6 аминокиселинни остатъка, 5 пълни завъртания съответстват на 18 аминокиселини и заемат 2,7 nm.

β-плисиран слой

При този метод на сгъване белтъчната молекула лежи „змия“, отдалечените сегменти на веригата са близо един до друг. В резултат на това пептидните групи на предварително отстранени аминокиселини от протеиновата верига са способни да взаимодействат, използвайки водородни връзки.

Вторична структураДали пространственото подреждане на полипептидната верига е под формата на а-спирала или β-сгъване, независимо от вида на страничните радикали и тяхната конформация.

L. Pauling и R. Corey предложиха модел на вторичната структура на протеин под формата на α-спирала, при която водородните връзки са затворени между всяка първа и четвърта аминокиселина, което ви позволява да запазите естествената структура на протеин, изпълняват най-простите функции и предпазват от разрушаване. Всички пептидни групи участват в образуването на водородни връзки, което осигурява максимална стабилност, намалява хидрофилността и увеличава хидрофобността на протеиновата молекула. Α-спиралата се образува спонтанно и е най-стабилната конформация, съответстваща на минималната свободна енергия.

Най-често срещаният елемент на вторичната структура е дясната α-спирала (α R). Пептидната верига се огъва спираловидно тук. Всеки завой има 3,6 аминокиселинни остатъка, стъпката на винта, т.е. минималното разстояние между две еквивалентни точки е 0,54 nm; Α-спиралата се стабилизира чрез почти линейни водородни връзки между NH-групата и CO-групата на четвъртия аминокиселинен остатък. По този начин, в удължени спирални области, всеки аминокиселинен остатък участва в образуването на две водородни връзки. Неполярните или амфифилни α-спирали с 5-6 оборота често осигуряват закотвяне на протеини в биологични мембрани (трансмембранни спирали). Лявата α-спирала (α L), огледално симетрична по отношение на α R-спиралата, е изключително рядка в природата, въпреки че е енергийно възможна. Усукването на протеиновата полипептидна верига в спираловидна структура се дължи на взаимодействието между кислорода на карбонилната група на i-тия аминокиселинен остатък и водорода на амидогрупата (i + 4) - аминокиселинен остатък чрез образуването на водородни връзки (Фигура 6.1).

Фиг. 6.1. Протеинова вторична структура: α-спирала

Друга форма на спирала присъства в колагена, съществен компонент на съединителната тъкан. Това е лявата спирала на колагена със стъпка от 0,96 nm и с остатък от 3,3 на всеки завой е по-плоска в сравнение с α-спиралата. За разлика от α-спиралата, образуването на водородни мостове тук е невъзможно. Структурата се стабилизира чрез усукване на три пептидни вериги в дясна тройна спирала.

Наред с α-спиралите, β-структурите и β-огъването също участват в образуването на вторичната структура на протеина.

За разлика от кондензираната α-спирала, β-слоевете са почти напълно удължени и могат да бъдат разположени както паралелно, така и антипаралелно (фиг. 6.2).

Фигура 6.2. Паралелно (а) и антипаралелно (б) разположение на β-слоеве

В сгънатите структури също се образуват напречни междуверижни водородни връзки (Фигура 6.3). Ако веригите са ориентирани в противоположни посоки, конструкцията се нарича антипаралелно сгънат лист (β α); ако веригите са ориентирани в една посока, конструкцията се нарича успоредно сгънат лист (β n). В сгънати структури а-С атомите са разположени в завоите, а страничните вериги са ориентирани почти перпендикулярно на средната равнина на листа, последователно нагоре и надолу. Структурата на β α с почти линейни H-мостове се оказва енергийно предпочитана. В опънати сгънати листове отделните вериги най-често не са успоредни, а донякъде извити един спрямо друг.

Фигура 6.3. β-гъвкава структура

В допълнение към редовните, в полипептидните вериги има и неправилни вторични структури, т.е. стандартни структури, които не образуват дълги периодични системи. Това са β-завои, те се наричат така, защото те често издърпват върховете на съседни β-нишки в антипаралелни β-фиби). Обикновено завоите включват около половината от остатъците, които не са попаднали в правилните структури на протеините.

Супер вторична структураЕ повече високо нивоорганизация на протеинова молекула, представена от ансамбъл от взаимодействащи вторични структури.

Фиг. 6.1. Протеинова вторична структура: α-спирала

Фигура 6.2. Паралелно (а) и антипаралелно (б) разположение на β-слоеве

Фигура 6.3. β-гъвкава структура

Супер вторична структураЕ по-високо ниво на организация на протеинова молекула, представено от ансамбъл от взаимодействащи вторични структури:

1. α-спирала - две антипаралелни области, които взаимодействат с хидрофобни комплементарни повърхности (съгласно принципа "корито-изпъкналост");

2. суперсвиване на α-спиралата;

3. βхβ - два паралелни участъка на β-веригата;

4. β-зигзаг.

Има различни начини за сгъване на протеиновата верига (фиг. 6.5). Фигура 6.5 е взета от корицата на списание Nature от 1977 г. (v.268, № 5620), където е публикувана статия от J. Richardson за мотивите на сгъване на протеиновите вериги.

Домейн- компактна кълбовидна структурна единица в рамките на полипептидна верига. Домените могат да изпълняват различни функции и да се сгъват в независими компактни кълбовидни структурни единици, свързани помежду си от гъвкави области в протеиновата молекула.

Първична структура- определена последователност от нуклеотиди във веригата. Образувани от фосфодиестерни връзки. Началото на веригата е 5 "-край (в края му има фосфатен остатък), а краят, краят на веригата, е означен като 3" (OH) -край.

По правило азотните основи не участват в образуването на самата верига, но водородните връзки между комплементарните азотни основи играят важна роля за формирането на вторичната структура на NC:

2 водородни връзки се образуват между аденин и урацил в РНК или аденин и тимин в ДНК,

· Между гуанин и цитозин - 3.

NC се характеризира с линейна, а не с разклонена структура. В допълнение към първичната и вторичната структура, повечето NC се характеризират с третична структура - например ДНК, tRNA и rRNA.

РНК (рибонуклеинови киселини).РНК се съдържа в цитоплазмата (90%) и ядрото. По отношение на структурата и функцията, РНК се разделят на 4 вида:

1) тРНК (транспорт),

2) рРНК (рибозомна),

3) тРНК (матрица),

4) nRNA (ядрена).

Матрични РНК. Те представляват не повече от 5% от общата РНК на клетката. Синтезиран в ядрото. Този процес се нарича транскрипция. Това е копие на ген на една от ДНК веригите. По време на биосинтеза на протеини (този процес се нарича транслация) той навлиза в цитоплазмата и се свързва с рибозомата, където се извършва биосинтезата на протеини. ИРНК съдържа информация за първичната структура на протеина (последователността на аминокиселините във веригата), т.е. последователността на нуклеотидите в иРНК напълно съответства на последователността на аминокиселинните остатъци в протеина. 3-те нуклеотида, кодиращи 1 аминокиселина, се наричат кодон.

Свойства на генетичния код.Събирането на кодони съставлява генетичния код. В кода има 64 кодона, 61 са смислови кодони (те съответстват на определена аминокиселина), 3 са глупостни кодони. Те не съответстват на никоя аминокиселина. Тези кодони се наричат терминиращи кодони, тъй като те сигнализират за завършване на протеиновия синтез.

6 свойства на генетичния код:

1) триплетност(всяка аминокиселина в протеин е кодирана като последователност от 3 нуклеотида),

2) гъвкавост(еднакви за всички видове клетки - бактериални, животински и растителни),

3) еднозначност(1 кодон отговаря само на 1 аминокиселина),

4) дегенерация(1 аминокиселина може да бъде кодирана от няколко кодона; само 2 аминокиселини - метионин и триптофан имат по 1 кодон, останалите - 2 или повече),

5) приемственост(генетичната информация се чете от 3 кодона в посока 5 "®3" без прекъсване),

6) колинеарност(съответствие на последователността на нуклеотидите в иРНК с последователността на аминокиселинните остатъци в протеина).

Първична структура на иРНК

Полинуклеотидна верига, в която се разграничават 3 основни области:

1) предварително преведени,

2) излъчване,

3) след излъчване.

Предварително преведената област съдържа 2 раздела:

а) CEP-сайт - изпълнява защитна функция (осигурява запазването на генетичната информация);

б) AG-регион - мястото на прикрепване към рибозомата по време на биосинтеза на протеини.

Преведеният регион съдържа генетична информация за структурата на един или повече протеини.

Пост-транслираният регион е представен от последователност от нуклеотиди, съдържащи аденин (от 50 до 250 нуклеотида), поради което се нарича поли-А област. Тази част от иРНК има 2 функции:

а) защитен,

б) служи като „билет“ по време на биосинтеза на протеини, тъй като след еднократна употреба няколко нуклеотида се отцепват от иРНК от поли-А региона. Дължината му определя честотата на използване на иРНК в биосинтеза на протеини. Ако иРНК се използва само веднъж, тогава тя няма поли-А регион и нейният 3 "край завършва с 1 или повече фиби. Тези фиби се наричат фрагменти на нестабилност.

Пратеникът РНК по правило няма вторична и третична структура (поне нищо не се знае за това).

Транспортни РНК.Съставят 12-15% от цялата РНК в клетката. Броят на нуклеотидите във веригата е 75-90.

Първична структура- полинуклеотидна верига.

Вторична структура- за обозначаването му се използва моделът на R. Holly, който се нарича „лист от детелина“, има 4 бримки и 4 рамена:

Акцепторен сайт - мястото на свързване на аминокиселината, има една и съща CCA последователност във всички тРНК

Легенда:

I - акцепторен рамо, 7 двойки основи,

II - рамо на дихидроуридил (3-4 двойки нуклеотиди) и дихидроуридилов контур (D-контур),

III - псевдоуридилова ръка (5 двойки основи) и псевдоуридилова верига (Tψ-контур),

IV - рамо с антикодон (5 двойки основи),

V - антикодонов контур,

VI - допълнителен цикъл.

Функции на панти:

антикодонов цикъл - разпознава mRNA кодона,
D-loop - за взаимодействие с ензим по време на биосинтеза на протеини,
TY-loop - за временно прикрепване към рибозомата по време на биосинтеза на протеини,
допълнителен цикъл се използва за балансиране на вторичната структура на тРНК.

Третична структура- при прокариоти, под формата на вретено (D-рамото и TY-рамото се търкалят и образуват вретено), при еукариотите под формата на обърната буква L.

Биологичната роля на тРНК:

1) транспорт (доставя аминокиселината до мястото на синтеза на протеини, до рибозомата),

2) адаптер (разпознава mRNA кодона), преобразува шифъра на нуклеотидната последователност в mRNA в последователността на аминокиселините в протеина.

Рибозомна РНК, рибозоми.Те представляват до 80% от общата РНК на клетката. Оформете "скелет", или гръбнакът на рибозомите. Рибозомите са нуклеопротеинови комплекси, състоящи се от голямо количество рРНК и протеини. Това са „фабрики“ за биосинтеза на протеини в клетката.

Първична структурарРНК - полинуклеотидна верига.

Според молекулното тегло и броя на нуклеотидите във веригата се разграничават 3 вида рРНК:

високо молекулно тегло (около 3000 нуклеотида);
средно молекулно тегло (до 500 нуклеотида);
ниско молекулно тегло (по-малко от 100 нуклеотида).

За характеризиране на различни рРНК и рибозоми е обичайно да се използва не молекулното тегло и броят на нуклеотидите, а коефициент на утаяване (това е скоростта на утаяване в ултрацентрифугата). Коефициентът на утаяване се изразява в шведберг (S),

1 S = 10-13 секунди.

Например, един от високомолекулните ще има коефициент на утаяване 23 S, средно и ниско молекулно тегло, съответно 16 и 5 S.

Вторична структура на рРНК- частична спирализация поради водородни връзки между комплементарни азотни основи, образуване на фиби и бримки.

Третична структура rRNA - по-компактно опаковане и припокриване на фиби под формата на V- или U-образна форма.

Рибозомисе състоят от 2 субединици - малка и голяма.

При прокариотите малката субединица ще има коефициент на седиментация 30 S, голямата - 50 S, а цялата рибозома - 70 S; при еукариоти съответно 40, 60 и 80 S.

Състав, структура и биологична роля на ДНК.При вирусите, както и в митохондриите, 1-верижна ДНК, в други клетки - 2-верижна, в прокариотите - 2-верижна кръгова.

ДНК състав- спазва се строго съотношение на азотни основи в 2 ДНК вериги, които се определят от правилата на Chargaf.

Правилата на Chargaf:

Броят на допълнителните азотни основи е равен на (A = T, G = C).
Моларната фракция на пурините е равна на моларната фракция на пиримидините (A + G = T + C).
Броят на 6-кето основите е равен на броя на 6-амино основите.
Съотношението G + C / A + T е коефициентът на видова специфичност. За животински и растителни клетки< 1, у микроорганизмов колеблется от 0,45 до 2,57.

При микроорганизмите преобладава НС типът, АТ типът е характерен за гръбначните, безгръбначните и растителните клетки.

Първична структура - 2 полинуклеотида, антипаралелни вериги (виж основната структура на NC).

Вторична структура- представена от двуверижна спирала, вътре в която допълнителните азотни основи са подредени под формата на „купчини монети“. Вторичната структура се държи от два вида облигации:

водород - те действат хоризонтално, между допълващи азотни основи (между А и Т 2 връзки, между G и C - 3),
сили на хидрофобно взаимодействие - тези връзки възникват между заместители на азотни основи и действат вертикално.

Вторична структурахарактеризиращо се с:

броя на нуклеотидите в спиралата,
спирален диаметър, спирален стъпка,
разстоянието между равнините, образувани от двойка допълващи се основи.

Известни са 6 конформации на вторичната структура, които са обозначени с главни букви от латинската азбука: A, B, C, D, E и Z. A, B и Z конформациите са типични за клетките, останалите са за клетките -безплатни системи (например в епруветка). Тези конформации се различават по основни параметри; възможен е взаимен преход. Състоянието на конформация до голяма степен зависи от:

физиологичното състояние на клетката,
рН на средата,
йонната сила на разтвора,
действия на различни регулаторни протеини и др.

Например, IN-Конфомацията на ДНК се извършва по време на клетъчното делене и дублирането на ДНК, А-конформация - по време на транскрипция. Z-структурата е лява, останалите са десничари. Z-структурата може да бъде намерена и в клетката в ДНК областите, където G-C динуклеотидните последователности се повтарят.

За първи път вторичната структура е математически изчислена и моделирана от Уотсън и Крик (1953), за което те получават Нобелова награда... Както се оказа по-късно, представеният от тях модел отговаря на B-конформации.

Основните му параметри:

10 нуклеотида на ход,
диаметър на спиралата 2 nm,
стъпка на спиралата 3,4 nm,
разстояние между равнините на основите 0,34 nm,
десняк.

По време на формирането на вторичната структура се образуват 2 вида канали - големи и малки (съответно 2,2 и 1,2 nm широки). По-големите канали играят важна роля за функционирането на ДНК, тъй като регулаторните протеини, които имат цинкови пръсти като домейн, са прикрепени към тях.

Третична структура- при прокариотите суперспиралата, при еукариотите, включително хората, има няколко нива на опаковане:

нуклеозомен,
фибриларна (или соленоидна),
хроматинови влакна,
цикличен (или домейн),
супердомейн (именно това ниво може да се види в електронен микроскоп под формата на напречна ивица).

Нуклеозомна.Нуклеозомата (отворена през 1974 г.) е дисковидна частица с диаметър 11 nm, която се състои от хистонов октамер, около който двуверижната ДНК прави 2 непълни завъртания (1,75 оборота).

Хистоните са нискомолекулни протеини, съдържащи 105-135 аминокиселинни остатъци, в хистон Н1 - 220 аминокиселинни остатъци, до 30% са lys и arg.

Хистоновият октамер се нарича кора. Състои се от централен тетрамер H32-H42 и два димера H2A-H2B. Тези 2 димера стабилизират структурата и здраво свързват 2 оборота на ДНК. Разстоянието между нуклеозомите се нарича линкер, който може да съдържа до 80 нуклеотида. Хистон Н1 предотвратява размотаването на ДНК около ядрото и осигурява намаляване на разстоянието между нуклеозомите, т.е. участва в образуването на фибрила (2-ро ниво на сгъване на третичната структура).

Когато фибрилата е усукана, хроматинови влакна(3-то ниво), докато един завой обикновено съдържа 6 g нуклеозоми, диаметърът на такава структура се увеличава до 30 nm.

В интерфазните хромозоми хроматиновите влакна са организирани в домейни или цикли, състоящ се от 35-150 хиляди базови двойки и закотвени върху вътреядрената матрица. ДНК-свързващите протеини участват в образуването на бримки.

Супердомейнниво образуват до 100 бримки, в тези области на хромозомата в електронен микроскоп се виждат кондензирани плътно опаковани ДНК области.

Благодарение на тази опаковка, ДНК е компактно опакована. Дължината му се намалява с фактор 10 000. В резултат на опаковането ДНК се свързва с хистони и други протеини, образувайки нуклеопротеинов комплекс под формата на хроматин.

Биологичната роля на ДНК:

съхранение и предаване на генетична информация,
контрол на клетъчното делене и функциониране,
генетичен контрол на програмирана клетъчна смърт.

Хроматинът съдържа ДНК (30% от общата маса на хроматина), РНК (10%) и протеини (хистон и нехистон).

Примерни опции тестова работапо тази тема