Характеристики, b-структура, b-вигин. Сверхвторічние (надвторічние) структури білка

22.07.2020

Надіслати свою хорошу роботу в базу знань просто. Використовуйте форму, розташовану нижче

Студенти, аспіранти, молоді вчені, які використовують базу знань в своє навчання і роботи, будуть вам дуже вдячні.

Розміщено на http://www.allbest.ru/

1. Структурна організація білків

Кожен білок характеризується специфічною амінокислотною послідовністю та індивідуальної просторової структурою (конформацией). На частку білків припадає не менше 50% сухої маси органічних сполук тваринної клітини. В організмі людини налічується до 5 млн. різних видів білків. Білкова молекула може складатися з однієї або декількох ланцюгів, що містять від пятідесті до декількох сотень (іноді більше тисячі) амінокислотних залишків. Молекули, що містять менше п'ятдесяти залишків, відносять до пептидів. До складу багатьох молекул входять залишки цистеїну, дисульфідні зв'язки яких ковалентно пов'язують ділянки однієї або декількох ланцюгів. У нативному стані білкові макромолекули мають специфічну конформацией. Характерна для даного білка конформація визначається послідовністю амінокислотних залишків і стабілізується водневими зв'язками між пептидними і бічними групами амінокислотних залишків, а також електростатичними і гідрофобними взаємодіями.

2. Первинна структура білка: методи дослідження

Структурні особливості пептидного зв'язку.

Пептидний зв'язок утворюється при реакції аміногрупи однієї амино-

кислоти і карбоксильної групи іншої з виділенням молекули води:

СН3-СН (NH2) -COOH + CH3- СН (NH2) -COOH\u003e СН3-СН (NH2) -CONH- (CH3) СН-COOH + H2O

Пов'язані пептидного зв'язком амінокислоти утворюють поліпептидний ланцюг. Пептидний зв'язок має площинну структуру: атоми С, О і N знаходяться в sp2-гібридизації; у атома N є р-орбіталь з неподіленої парою електронів; утворюється р-р-сполучена система, яка веде до вкорочення зв'язку С? N (0,132 нм) і обмеження обертання (бар'єр обертання становить? 63 кДж / моль). Пептидний зв'язок має переважно трансконфігурацію щодо площині пептидного зв'язку. Подібним чином пептидного зв'язку позначається на формуванні вторинної і третинної структури білка. Пептидний зв'язок жорстка, ковалентний, генетично детермінована. У структурних формулах зображується у вигляді одинарного зв'язку, однак насправді цей зв'язок між вуглецем і азотом носить характер частково подвійного зв'язку:

Це викликано різної електронегативність атомів С, N і O. Навколо пептидного зв'язку обертання неможливо, всі чотири атома лежать в одній площині, тобто компланарність. Обертання ж інших зв'язків навколо поліпептидного остова досить вільно.

Первинна структура була відкрита професором Казанського університету А.Я. Данилевським в 1989 р У 1913 році Е. Фішером були синтезовані перші пептиди. Послідовність амінокислот для кожного білка унікальна і закріплена генетично

Мал. 1.2 Освіта дипептида

Для визначення первинної структури окремої, хімічно гомогенної поліпептидного ланцюга методом гідролізу з'ясовують амінокислотний склад: співвідношення кожної з двадцяти амінокислот в зразку гомогенного поліпептиду. Потім приступають до визначення хімічної природи кінцевих амінокислот поліпептидного ланцюга, що містить одну вільну NH2-групу і одну вільну СООН-групу.

Для визначення природи N-кінцевої амінокислоти запропонований ряд методів, зокрема, метод Сенжера (за його розробку Ф. Сенжер був удостоєний Нобелівської премії в 1958 р). Цей метод заснований на реакції арілірованія поліпептиду 2,4-дінітрофторбензолом. Розчин поліпептиду обробляють 2,4-дінітрофторбензолом, який взаємодіє з вільною б-аминогруппой пептиду. Після кислотного гідролізу продукту реакції тільки одна амінокислота виявляється пов'язаної з реактивом у вигляді 2,4-дінітрофеніламінокіслоти. На відміну від інших амінокислот вона має жовтий колір. Її виділяють з гідролізату і ідентифікують методом хроматографії.

Для визначення С-кінцевої амінокислоти часто використовують ферментативні методи. Обробка поліпептиду карбоксипептидази, яка розриває пептидний зв'язок з того кінця пептиду, де міститься вільна СООН-група, призводить до звільнення С-кінцевої амінокислоти, природа якої може бути ідентифікована методом хроматографії. Існують і інші методи визначення С-кінцевої амінокислоти, зокрема, хімічний метод Акаборі, заснований на гідразінолізе поліпептиду. Наступний етап роботи пов'язаний з визначенням послідовності амінокислот в поліпептиди. Для цього спочатку проводять частковий (хімічний і ферментативний) гідроліз поліпептидного ланцюга на короткі пептидні фрагменти, послідовність яких може бути точно визначена. Після гідролізу за допомогою електрофорезу і хроматографії складають пептидні карти. Потім встановлюють послідовність амінокислот у виділених пептидах і первинну структуру всієї молекули.

Вторинна структура білків: б - спіраль, її основні характеристики, в - структура, в - вигин. роль водневих зв'язків у формуванні вторинної структури .. Сверхвторічние (надвторічние) структури білка.

Вторинна структура? це просторове розташування поліпептидного ланцюжка у вигляді б-спіралі або по-складчастості безвідносно до типам бічних радикалів і їх конформації. Л. Полінг і Р. Корі запропонували модель вторинної структури білка у вигляді б-спіралі, в якій водневі зв'язки замикаються між кожною першою і четвертою амінокислотою, що дозволяє зберігати нативную структуру білка, здійснювати найпростіші функції, захищати від руйнування. В утворенні водневих зв'язків беруть участь всі пептидні групи, що забезпечує максимальну стабільність, знижує гідрофільність і збільшує гидрофобность білкової молекули. б-спіраль утворюється мимовільно і є найбільш стійкою конформацией, що відповідає мінімуму вільної енергії.

Найбільш поширеним елементом вторинної структури є права б-спіраль (б R).

Пептидная ланцюг тут вигинається гвинтоподібно. Ha кожен виток припадає 3,6 амінокислотного залишку, крок гвинта, тобто мінімальна відстань між двома еквівалентними точками, становить 0,54 нм; б-спіраль стабілізована майже лінійними водневими зв'язками між NH-групою і СО-групою четвертого за рахунком амінокислотного залишку. Таким чином, в протяжних спіральних ділянках кожен амінокислотний залишок бере участь у формуванні двох водневих зв'язків. Полярні або амфіфільних б-спіралі з 5-6 витками часто забезпечують заякоріванню білків в біологічних мембранах (трансмембранні спіралі). Дзеркально-симетрична щодо б R-спіралі ліва б-спіраль (бL) зустрічається в природі вкрай рідко, хоча енергетично можлива. Закручування поліпептидного ланцюга білка в спіралеподібну структуру відбувається внаслідок взаємодії між киснем карбонільної групи i-того амінокислотного залишку і воднем амідогруппи (i + 4) - амінокислотного залишку за допомогою утворення водневих зв'язків:

Мал. 1.3 (а) Атоми азоту зображені синім кольором, кисню - червоним. Помаранчевим зображені водневі зв'язки, що утворюються між відповідними атомами азоту і кисню Атоми азоту зображені синім кольором спіралі. І помаранчевим відображені водневі зв'язки, що утворюються між відповідними правилом атомами кисню та азоту

рис.1.3 (б) Вторинна структура білка: альфа-спіраль

Інша форма спіралі присутній в коллагене, найважливіший компонент сполучних тканин. Це ліва спіраль колагену з кроком 0,96 нм і при залишку в 3,3 в кожному витку більш полога в порівнянні з б-спіраллю. На відміну від б-спіралі утворення водневих містків тут неможливо. Структура стабілізована за рахунок скручування трьох пептидних ланцюгів в праву потрійну спіраль. Поряд з б-спіралями в освіті вторинної структури білка беруть також участь в-структури, в-вигин. На відміну від конденсованої б-спіралі в-шари майже повністю витягнуті і можуть розташовуватися як паралельно, так і антипараллельно. B складчастих структурах також утворюються поперечні межцепочечних водневі связі.Еслі ланцюги спрямовані в протилежних напрямках, структура називається антипаралельними складчастим листом (вб); якщо ланцюги спрямовані в одному напрямку, структура називається паралельним складчастим листом (Вn). У складчастих структурах б-С-атоми розташовуються на перегини, а бічні ланцюги спрямовані майже перпендикулярно середньої площині листа, поперемінно вгору і вниз.

Енергетично кращою виявляється вб-складчаста структура з майже лінійними H-містками. В розтягнутих складчастих аркушах окремі ланцюги найчастіше не паралельні, а кілька вигнуті відносно один одного.

Мал. 1.4 Бета-складчаста структура білка

Крім регулярних в поліпептидних ланцюгах є ще і нерегулярні вторинні структури, тобто стандартні структури, що не утворюють довгих періодичних систем. Це - по-вигини вони називаються так тому, що часто стягують верхівки сусідніх по-тяжів в антипаралельних в-шпильках). У вигини зазвичай входить близько половини залишків, що не опалого в регулярні структури білків.

Супервторічная структура? це вищий рівень організації білкової молекули, представлений ансамблем взаємодіючих між собою вторинних структур:

1. б-спіраль? два антипаралельних ділянки, які взаємодіють гідрофобними комплементарними поверхнями (за принципом «западина-виступ»);

2. сверхспіралізаціі б-спіралі;

3. вхв? два паралельних ділянки в-ланцюга;

4. в-зигзаг.

Зустрічаються різноманітні способи укладання білкової ланцюга:

рис.1.5 Способи укладання білкової ланцюга

Домен - компактна глобулярна структурна одиниця всередині поліпептидного ланцюга. Домени можуть виконувати різні функції і піддаватися згортання в незалежні компактні глобулярні структурні одиниці, з'єднані між собою гнучкими ділянками всередині білкової молекули.

Мал. 1.6 Мотиви укладання білкової ланцюга і орнаменти на індіанських і грецьких вазах. Вгорі: мотив меандру; в середині: мотив грецького ключа; внизу: мотив зігзага- "блискавки".

3.Вторічная структура білків: конформації поліпептидного ланцюга

Для розуміння структури білка необхідно розглянути можливі конформації поліпептидного цепі.Оні визначаються, перш за все, плоским будова пептидного зв'язку СО - NН- .Структурние параметри пептидних одиниць, встановлені в результаті рентгенографічного дослідження пептидів і споріднених їм сполук, представлений в табл.

Таблиця 1. Структурні параметри пептидних одиниць: довжини зв'язків і кути між ними X і Y -атоми, з якими пов'язаний вуглець як в основному ланцюзі, так і при сережку радикалів.

Повністю витягнута ланцюг (без деформації валентних кутів і змін довжин зв'язків) має транс конформацию з нульовими значеннями кутів поворота.Однако така конформація не є найбільш стабільною. атоми імінну груп N-H утворюють водневі зв'язки з атомами кисню карбонільних групп.Нахожденіе найбільш стійкою конформації требуетмінімізаціі її повної енергії, включаючи енергію внутрішньомолекулярних водневих зв'язків.

Полінг і Корі визначили найбільш стійкі конформації поліпептидного ланцюга, грунтуючись на даних рентгеноструктурних досліджень і розгляді повної упаковки ланцюгів з максимальним числом водневих зв'язків. Таких конформаций трі.Ето, по-перше, вже відома б-спіраль. Вона характеризується поворотом навколо осі на 54 нм.

Водневі зв'язку освічені між С \u003d О групою даної групи і N-Н групою четвертої попередньої одиниці. Такі зв'язки реалізуються між усіма амінокислотними залишками, за винятком пролила (Про), що не містить N-Н групи. Б-спіраль може бути і правої і лівої. У першому випадку кути \u003d 132 ?? і \u003d 123 ?? , У другому \u003d 228 ?? і \u003d 237 ?? відповідно.

Друга і третя конформації з максимальним насиченням водневих зв'язків - паралельна і антипаралельними в-форми.Ето конформація вже не окремого ланцюга, а сукупності ланцюгів, що утворюють шарувату структуру. Ланцюги в такій формі не мають плоского транс-будови. У паралельній формі кути 61? і 239? відповідно, в антипараллельной - 380? і 325 ?.

Дуже важлива можливість утворення бета-форми і в окремій поліпептидного ланцюга. Це так звані крос-бета-форми. У місцях вигинів кути поворотів мають значення, відмінні від властивим впорядкованим ділянкам.

Мал. 1.7 Регулярні вторинні структури - альфа-спіраль, пераллельний бета-лист, антипаралельними бета-лист

Таким чином, водневі зв'язки стабілізують конформації поліпептидного ланцюга в розчині. Наявність вторинної структури, що має періодичність, означає подібність ланцюга з кристалом: альфа-спіраль подібна одномерному, бета-форма - двовимірного кристалу.

Мал. 1.8 Допоміжні взаємодії: водневі зв'язку

Альфа- і бета-форми, зокрема, не єдині. Наприклад, фібрилярні білки володіють іншими конформаціями.

Розглянемо тепер залежності енергій поліпептидного ланцюга від кутів внутрішнього обертання - так звані стерические карти, подібні геодезичним.

Конформаційна енергія ланцюга визначається слабкою взаємодією валентне не пов'язаних атомів. внаслідок плоского будови пептидного групи кути повороту i-го ланки практично не залежать від кутів повороту сусідніх ланок. І якщо кути повороту i-го ланки варіюють в області значень, не заборонених перекриванням атомів пептидних груп, з'єднаних зв'язками i-го і (i + 1) -го ланок, і якщо одночасно варіюють кути (i + 1), то не існує такої комбінації цих чотирьох кутів, при якій можливо стерическое взаємодія i-го і (i + 2) -го ланки. Тим самим поліпептидний ланцюг має обмежену кооперативность, ближні взаємодії в ній обмежені ближніми сусідами. Це дозволяє розглядати порізно конформаційні енергії для окремих конформаційних залишків. Стерическое карта для даного залишку істотно залежить від природи його радикала R.

Можна вважати, що взаємодії в даній парі пептидних груп характеризують амінокислотний залишок, що з'єднує ці групи, Рамачардан досліджував дипептид ГЛІЦ-L-аланін і отримав конформаційну (стерическую карту для аланіну).

Мал. 1.9 Двовимірний розподіл щільності ймовірності по торсійним кутах.

Найбільш часто відвідувані області мають більш темний колір. Для амінокислотних залишків найчастіше розглядають двовимірні розподілу по торсійним кутах ш, ц ,? Серед можливих варіантів двовимірних розподілів зазвичай приділяють особливу увагу перетину по кутах ш, ц.

Мал. 2.1 Карта Рамачандран для амінокислотного залишку.

Конформації, які можуть бути досягнуті будь-яким амтнокіслотним залишком, представлені темно-сірим кольором. Більшість амінкіслот може заселяти області, позначені світло-сірим кольором. Білим позначені заборонені конформації, які, тим не менш, можуть зустрічатися в деяких білкових структурах.

Розрахунок проводився на основі найпростішого припущення про атомах як твердих сферах, що мають ван дер Ваальсових радіуси, які визначаються з даних по міжатомним відстаням в молекулярних кристалах. У таблиці наведено ці відстані, найчастіше спостерігаються в кристалах, та мінімальні відступи, які спостерігаються лише в небагатьох випадках.

Таблиця 2. Контактні відстані між атомами в поліпептидах

пара атомів	Звичайне відстань, нм	Мінімальна відстань, нм	пара атомів	Звичайне відстань, нм	Мінімальна Відстань, нм

4.Третічная структура білків. Типи нековалентних зв'язків, що стабілізують третинну структуру. Роль S - S - містків у формуванні третинної структури деяких білків

Під третинної структурою розуміють просторове розташування поліпептидного ланцюга (спосіб укладання ланцюга в певному обсязі). У стабілізації просторової структури основну роль грають Нековалентні зв'язку. До них відносяться водневі зв'язки, електростатичні взаємодії заряджених груп, міжмолекулярні ван-дер-ваальсові сили, взаємодії неполярних бічних радикалів амінокислот (гідрофобні взаємодії), диполь-дипольні взаємодії. Крім того, важливу роль у формуванні третинної структури відіграють дисульфідні зв'язки (S-S-містки):

Мал. 2.2 (а) Освіта дисульфідних зв'язків

Мал. 2.2 (б) Освіта дисульфідних зв'язків

Дисульфідні зв'язки утворюються при окисленні зближених в просторову структуру білка залишків цистеїну в залишки цистину. Вважають, що дисульфідні зв'язки, часто множинні, особливо важливі для стабілізації маленьких білків, в яких не може виникнути великої системи нековалентних взаємодій.

Третинна структура - унікальне для кожного білка розташування в просторі поліпептидного ланцюга, залежне від кількості і чергування амінокислот, тобто зумовлене первинною структурою білка. Конфігурація білкових молекул може бути фибриллярной і глобулярної. Третинна структура багатьох білків складається з кількох компактних глобул, званих доменами. Поміж себе домени зазвичай бувають пов'язані тонкими перемичками.

Третинна структура білків. Гемоглобін і міоглобін: конформаційні перебудови. Відомо, що нативна, тривимірна структура білка встановлюється в результаті дії цілого ряду енергетичних і ентропійних факторів. Характерні часи багатьох внутрішньо молекулярних змін, в тому числі і ферментативних процесів тисячних часток секунди і залежать від pH, температури і іонного складу середовища. Таким чином, зміни іонного гомеостазу можуть безпосередньо впливати на структурні зміни в клітинних білках і, відповідно, на їх функції та активність. Розглянемо як приклад конформаційні перебудови білків, що переносять кисень, -гемоглобіна і міоглобіну. Будова цих білків, що знаходяться в кристалической формі, детально вивчено методом рентгеноструктурного аналізу. Простір між альфа-спіральними ділянками, в тому числі порожнину активного центру гемової групи всередині молекул білка, заповнене гідрофобними бічними ланцюгами амінокислот, а в навколишнє водне середовище виступає безліч полярних білкових ланцюгів. Молекула гемоглобіну складається з чотирьох субодиниць (дві б і дві в), що утворюють правильний тетрамер. Молекули води, локалізовані в області контактів субодиниць, утворюють сольові містки і додатково стабілізують тетрамер. Залізо може перебувати в високо- і нізкоспіновом стані в залежності від способу заповнення d-орбіталі електронами, який визначається правилом Хунда. У зв'язку з цим заповнення електронами зовнішніх d-орбіталей іонів дво- і тривалентного заліза характерно для вільних іонів або іонів в складі з'єднань з іонним зв'язком. Ситуація змінюється, коли атоми заліза знаходяться в комплексі, де пов'язані з лігандная атомами ковалентним зв'язком і входять до складу гема. Слід підкреслити, що спіновий стан центрального атома в комплексі визначається характером лігандного оточення: симетрією, силою зв'язування лігандів в комплексі і т.д. В силу цього зміни в лігандная оточенні можуть призводити до змін в спиновом стані іона металу, що в свою чергу може викликати зміни конформації білка з яким пов'язаний іон металу. Зміни спинового стану іонів заліза, індуковані приєднанням субстратів, зміною температури, були продемонстрірованни для ряду гемопротеинов. Перехід іона заліза з нізкоспінового стану в високоспіновое увелічівет діаметр іона і призводить до висновку його з площини гема, що й обумовлює конформаційні зміни в блізжайшіх білковому "оточенні".

У високоспіновом стані іон двовалентного заліза володіє координаційним числом 5 і розташований поза площиною гема на відстані 0,05-0,07 нм.Он координаційно пов'язаний з чотирма атомами азотапіррольних груп плоскогопорфірінового кільця, а в 5-му положенні взаємодіє з атомом N имидазольного кільця гістидину . Оксігепація і освіту зв'язку кисень-залізо не змінює валентності атома заліза, але переводять його з високоспінового стану в нізкоспіновое, збільшуючи число лігандів в координаційній сфері до 6. У 6-му положенні залізо координується з киснем або іншими лігандами.

Мал. 2.3 (а) Спрощена схема будови гемоглобіну

Приєднання кисню індукує ряд конформаційних змін в молекулі гемоглобіна.Связиваніе кисню з перекладом атома заліза в нізкоспіновое стан супроводжується одночасним зсувом заліза на 0,07 нм в площину гемової группи.Ето зміщення передається через гистидин, і спіраль разом з ним "підтягується" в сторону гема до центру молекули, виштовхуючи з порожнини залишок тірозіна.Затем відбувається поетапний розрив сольових містків між б-субодиницями і зміщення їх уздовж області контакту. Відстань між гемом і б-субодиницями збільшується, а між гемом і в-субодиницями, навпаки, скорочується. Центральна порожнину гема при цьому стискається. Розрив чотирьох сольових містків з шести при оксигенації перших двох б-субодиниць сприяє розриву двох інших містків і, отже, полегшує з'єднання наступних молекул кисню з іншими субодиницями, збільшуючи спорідненість їх до кисню в кілька сотень разів. В цьому і полягає кооперативний характер приєднання кисню до гемоглобіну, при якому початок оксигенації останнього полегшує зв'язування інших молекул кисню.

Використання лазерного випромінювання з довжиною хвилі поглинання в діапазоні по-смуги порфірінаі поблизу неї дозволяє реєструвати спектри РКР протопорфіринів в цілих клітинах (еритроцитах) .В цих спектрах домінують лінії, що лежать в області 1000-1650 / см, які обумовлені площинними коливаннями зв'язків С-С і С-N і деформаційних коливань С-Н. Деякі з них схильні до впливу хімічних перетворень, що відбуваються з атомом заліза, і можуть бути використані для вивчення структури макроцикла. При зміні стану окислення атома заліза від тривалентного до двовалентного спостерігається зниження частоти скелетних коливань порфирина. Положення цієї та інших характерних смуг спектра РКР відображає заселеність електронами р-орбіталей порфирина. З її збільшенням зв'язку в Порфірини стають менш міцними, що виражається в зниженні частоти коливань. Заселеність цих орбіталей зростає за рахунок зворотного переходу електронів з р-орбіталей атома заліза. Оскільки процес сильніше виражений для для двовалентного заліза, смуги, що характеризують стан окислення, зрушені в область більш низьких частот для гемом саме з таким залізом. При такому підході будь-який ефект (в тому числі зміна стану окислення атомів заліза), який викликає зміни в розподілі електронів в Порфірини, може вплинути на частоту відповідних характеристичних ліній. Ця частота сильно змінюється, наприклад, якщо аксіальний ліганд, який має р-орбіталь, може взаємодіяти з орбиталями порфиринов через dр-електрони атома заліза. Аксіальний р-електронний донор призводить до додаткового переходу dр-електронів атома заліза на р-орбіталі порфирина і викликає зниження частоти смуг, що характеризують стан окислення до нетипових величин.

Мал. 2.3 (б) Модель третинної структури молекули міоглобіну (по Дж. Кендра). Латинськими літерами позначені структурні домени, червоним кольором - гем

Ріс.1.7 (в) ступінь насичення киснем міоглобіну і гемоглобіну

При згортанні білкової глобули значна частина (не менше половини) гідрофобних радикалів амінокислотних залишків виявляється прихованою від контакту з навколишнім білок водою. Відбувається утворення своєрідних внутрішньо молекулярних «гідрофобних ядер». У них особливо представлені об'ємні залишки лейцину, ізолейцину, фенілаланіну, валіну.

З появою третинної структури у білка з'являються нові властивості - біологічні. Зокрема, прояв каталітичних властивостей пов'язано з наявністю у білка третинної структури. І навпаки, нагрівання білків, що приводить до руйнування третинної структури (денатурація), призводить і до втрати біологічних властивостей.

5.Четвертічная структура білків. Кількість і типи субодиниць, взаємодії між субодиницями, стабілізуючі четвертинних структуру. Функціональне значення четвертинної структури білків

Четвертичная структура? це надмолекулярну утворення, що складається з двох і більше поліпептидних ланцюгів, пов'язаних між собою нековалентно, а водневими зв'язками, електростатичними, діпольдіпольние і гідрофобними взаємодіями між залишками амінокислот, що знаходяться на поверхні. Прикладом може служити молекула гемоглобіну, вірус тютюнової мозаїки (2130 субодиниць).

Кожен з білків-учасників третинної структури при утворенні четвертинної структури називають субодиницею або протомеров. Утворену молекулу називають олігомером, або мультимера. Олігомерні білки частіше побудовані з парного кількості протомеров з однаковими або різними молекулярними масами. В освіті четвертичной структури білка беруть участь ті самі зв'язки, що і при утворенні третинної структури, за винятком ковалентних.

Об'єднання білкових молекул третинної структури без появи нових біологічних властивостей називають агрегованим станом. Як четвертинна структура, так і агреговане стан можуть бути оборотно зруйновані із застосуванням детергентів, зокрема, додецилсульфата натрію або неіонних детергентів типу тритона. Дуже часто для руйнування четвертинної структури досліджуваний білок нагрівають при 100 ° С в присутності 1% -ного 2-меркаптоетанол і 2% -ного додецилсульфата натрію. В таких умовах відновлюються -S-S-зв'язку між залишками Cys, які в деяких випадках утримують суб'едініцичетвертічной структури. Субодиниці, що утворюють четвертинних структуру білка, можуть бути різними як за будовою, так і за функціональними властивостями (гетеромери). Це дозволяє об'єднати в одній структурі кілька взаємопов'язаних функцій, створити поліфункціональну молекулу. Наприклад, в Протеїнкінази, стехіометрії четвертинні структури якої відповідає формулі С2R2, субодиниця С відповідальна за ферментативну активність, здійснюючи перенесення фосфатного залишку від АТР на білок; субодиниця R є регуляторної. За відсутності циклічного АМР остання пов'язана з С-субодиницею і пригнічує її. При утворенні комплексу з сАМР четвертичная структура розпадається і С-субодиниці виявляються здатними фосфорилювати білкові субстрати. У гомомерних білках субодиниці однакові.

Переважна частина білків, що мають четвертинних структуру, доводиться на димери, тетрамери і гексамери, останні зустрічаються у білків з молекулярною масою, більшою 100 кДа.

Характерною особливістю білків з четвертинної структурою є їх здатність до самосборке. Взаємодія протомеров здійснюється з високою специфічністю, завдяки освіті десятка слабких зв'язків між контактними поверхнями субодиниць, тому помилки при формуванні четвертинної структури білків виключені. Практично всі білки-ферменти мають четвертинних структуру і складаються, як правило, з парного числа протомеров (двох, чотирьох, шести, восьми). Четвертичная структура білка має на увазі таке об'єднання білків третинної структури, при якому з'являються нові біологічні властивості, не характерні для білка в третинної структурі. Зокрема, такі ефекти, як кооперативний і аллостерічеський, характерні лише для білків з четвертинної структурою. Четвертичная структура - останній рівень в організації білкової молекули, причому не обов'язковий - до половини відомих білків її не мають.

література

білок біофізика поліпептидний

1. Біохімія та молекулярна біологія. Версія 1.0 [Електронний ресурс]: конспект лекцій / Н.М. Титова, А.А.Савченко, Т.Н. Займай і ін. - Електрон. дан. (10 Мб). - Красноярськ: ІПК СФУ, 2008.

2 Ревін В.В. Біофізика: Учеб. / В.В. Ревін, Г.В. Максимов, О.Р. Кольса; За редакцією проф. А.Б. Рубіна.-Саранськ: Вид-во мордою. ун-ту, 2002. 156 с.

3. М.В. Волькенштейн. Біофізика М .: Наука, 1988.-592 с.

Розміщено на Allbest.ru

...

подібні документи

Будова і властивості білків. Відмінності в будові амінокислот. Просторова організація білкової молекули. Типи зв'язків між амінокислотами в молекулі білка. Основні фактори, що викликають денатурацію білків. Методи визначення первинної структури білка.

реферат, доданий 15.05.2010

Оцінка сформованого адміністративно-територіального устрою Росії. Дослідження білків. Класифікація білків. Склад і будова. Хімічні та фізичні властивості. Хімічний синтез білків. Значення білків.

реферат, доданий 13.04.2003

Характеристика білків як високомолекулярних сполук, їх структура і освіту, фізико-хімічні властивості. Ферменти перетравлення білків в травному тракті. Всмоктування продуктів розпаду білків і використання амінокислот в тканинах організму.

реферат, доданий 22.06.2010

Загальна характеристика, Класифікація, будова і синтез білків. Гідроліз білків з розведеними кислотами, кольорові реакції на білки. Значення білків в приготуванні їжі і харчових продуктів. Потреба і засвоюваність організмом людини в білку.

курсова робота, доданий 27.10.2010

Роль в живій природі. Склад і властивості білків. Класифікація білків. Визначення будови білків. Визначення наявності білка. Ідентифікація білків і поліпептидів. Синтез пептидів. Штучне отримання білка. Амінокислоти.

реферат, доданий 01.12.2006

Загальні шляхи обміну амінокислот. Значення і функції білків в організмі. Норми білка і його біологічна цінність. Джерела і шляхи використання амінокислот. Азотистий баланс. Панкреатичний сік. Перетравлення складних білків. Поняття трансаминирования.

презентація, доданий 05.10.2011

Амінокислоти, що входять до складу пептидів і білків. Моноамінодікарбоновие кислоти і їх аміди. Енантіомери амінокислот, утворення солей. Мезомерія і будова пептидного зв'язку. Методи виділення та аналізу білків. Електрофорез в поліакриламідному гелі.

презентація, доданий 16.12.2013

Основні хімічні елементи, Що входять до складу білків. Білки - полімери, мономерами яких є амінокислоти. Будова амінокислот, рівні організації білкових молекул. Структури білка, основні властивості білків. Денатурація білка і її види.

презентація, доданий 15.01.2011

Загальні принципи препаративної хімії білків, особливості їх виділення. Видалення небілкових домішок, поділ між собою власне білкових компонентів. характерні властивості білків, на яких засновано поділ, гель-хроматографія (гель-фільтрація).

наукова робота, доданий 17.12.2009

Загальний аналіз взаємодії поверхнево-активних речовин (ПАР) з полімерами. Особливості дифільної білків. Відносна в'язкість розчинів желатину в залежності від концентрації доданого додецилсульфата натрію. Роль взаємодій білків з ПАР.

Вторинна структура білка - це спосіб укладання поліпептидного ланцюга в більш компактну структуру, при якій відбувається взаємодія пептидних груп з утворенням між ними водневих зв'язків.

Формування вторинної структури викликано прагненням пептиду прийняти конформацію з найбільшою кількістю зв'язків між пептидними групами. Тип вторинної структури залежить від стійкості пептидного зв'язку, рухливості зв'язку між центральним атомом вуглецю і вуглецем пептидного групи, розміром аминокислотного радикала. Усе зазначене укупі з амінокислотною послідовністю згодом призведе до строго певної конфігурації білка.

Виділяють два можливих варіанти вторинної структури: у вигляді "каната" - α-спіраль (Α-структура), і у вигляді "гармошки" - β-складчастий шар (Β-структура). В одному білку, як правило, одночасно присутні обидві структури, але в різному частковому співвідношенні. У глобулярних білках переважає α-спіраль, в фібрилярних - β-структура.

Вторинна структура утворюється тільки за участю водневих зв'язків між пептидними групами: атом кисню однієї групи реагує з атомом водню другий, одночасно кисень другий пептидного групи зв'язується з воднем третьої і т.д.

α-Спіраль

Дана структура є правозакрученной спіраллю, утворюється за допомогою водневихзв'язків між пептидними групами 1-го і 4-го, 4-го і 7-го, 7-го і 10-го і так далі амінокислотних залишків.

Формуванню спіралі перешкоджають пролин і гидроксипролин, які через свою циклічної структури обумовлюють "перелом" ланцюга, тобто її примусовий вигин як, наприклад, в коллагене.

Висота витка спіралі становить 0,54 нм і відповідає висоті 3,6 амінокислотних залишків, 5 повних витків відповідають 18 амінокислотам і займають 2,7 нм.

β-Складчастий шар

У цьому способі укладання білкова молекула лежить "змійкою", віддалені відрізки ланцюга виявляються поблизу один від одного. В результаті пептидні групи раніше віддалених амінокислот білкової ланцюга здатні взаємодіяти за допомогою водневих зв'язків.

вторинна структура - це просторове розташування поліпептидного ланцюжка у вигляді α-спіралі або β-складчастості безвідносно до типам бічних радикалів і їх конформації.

Л. Полінг і Р. Корі запропонували модель вторинної структури білка у вигляді α-спіралі, в якій водневі зв'язки замикаються між кожною першою і четвертою амінокислотою, що дозволяє зберігати нативную структуру білка, здійснювати найпростіші функції, захищати від руйнування. В утворенні водневих зв'язків беруть участь всі пептидні групи, що забезпечує максимальну стабільність, знижує гідрофільність і збільшує гидрофобность білкової молекули. α-спіраль утворюється мимовільно і є найбільш стійкою конформацией, що відповідає мінімуму вільної енергії.

Найбільш поширеним елементом вторинної структури є права α-спіраль (α R). Пептидная ланцюг тут вигинається гвинтоподібно. Ha кожен виток припадає 3,6 амінокислотного залишку, крок гвинта, тобто мінімальна відстань між двома еквівалентними точками, становить 0,54 нм; α-спіраль стабілізована майже лінійними водневими зв'язками між NH-групою і СО-групою четвертого за рахунком амінокислотного залишку. Таким чином, в протяжних спіральних ділянках кожен амінокислотний залишок бере участь у формуванні двох водневих зв'язків. Полярні або амфіфільних α-спіралі з 5-6 витками часто забезпечують заякоріванню білків в біологічних мембранах (трансмембранні спіралі). Дзеркально-симетрична щодо α R -Спіралі ліва α-спіраль (α L) зустрічається в природі вкрай рідко, хоча енергетично можлива. Закручування поліпептидного ланцюга білка в спіралеподібну структуру відбувається внаслідок взаємодії між киснем карбонільної групи i-того амінокислотного залишку і воднем амідогруппи (i + 4) - амінокислотного залишку за допомогою утворення водневих зв'язків (рис.6.1).

Мал. 6.1. Вторинна структура білка: α-спіраль

Поряд з α-спіралями в освіті вторинної структури білка беруть також участь β-структури, β-вигин.

На відміну від конденсованої α-спіралі β-шари майже повністю витягнуті і можуть розташовуватися як паралельно, так і антипараллельно (рис.6.2).

Рис.6.2. Паралельне (а) і антипаралельними (б) розташування β-шарів

B складчастих структурах також утворюються поперечні межцепочечних водневі зв'язку (рис.6.3). Якщо ланцюги спрямовані в протилежних напрямках, структура називається антипаралельними складчастим листом (β α); якщо ланцюги спрямовані в одному напрямку, структура називається паралельним складчастим листом (β n). У складчастих структурах α-С-атоми розташовуються на перегини, а бічні ланцюги спрямовані майже перпендикулярно середньої площині листа, поперемінно вгору і вниз. Енергетично кращою виявляється β α -складчатая структура з майже лінійними H-містками. В розтягнутих складчастих аркушах окремі ланцюги найчастіше не паралельні, а кілька вигнуті відносно один одного.

Рис.6.3. β-складчаста структура

Крім регулярних в поліпептидних ланцюгах є ще і нерегулярні вторинні структури, тобто стандартні структури, що не утворюють довгих періодичних систем. Це - β-вигини вони називаються так тому, що часто стягують верхівки сусідніх β-тяжів в антипаралельних β-шпильках). У вигини зазвичай входить близько половини залишків, що не опалого в регулярні структури білків.

Супервторічная структура - це більш високий рівень організації білкової молекули, представлений ансамблем взаємодіючих між собою вторинних структур.

Мал. 6.1. Вторинна структура білка: α-спіраль

Поряд з α-спіралями в освіті вторинної структури білка беруть також участь β-структури, β-вигин.

Рис.6.2. Паралельне (а) і антипаралельними (б) розташування β-шарів

Рис.6.3. β-складчаста структура

Супервторічная структура - це вищий рівень організації білкової молекули, представлений ансамблем взаємодіючих між собою вторинних структур:

1. α-спіраль - два антипаралельних ділянки, які взаємодіють гідрофобними комплементарними поверхнями (за принципом «западина-виступ»);

2. сверхспіралізаціі α-спіралі;

3. βхβ - два паралельних ділянки β-ланцюга;

4. β-зигзаг.

Зустрічаються різноманітні способи укладання білкової ланцюга (рис. 6.5). Малюнок 6.5 узятий з обкладинки журналу Nature 1977 г. (v.268, №.5620), де була надрукована стаття Дж. Річардсона про мотиви укладання білкових ланцюгів.

домен - компактна глобулярна структурна одиниця всередині поліпептидного ланцюга. Домени можуть виконувати різні функції і піддаватися згортання в незалежні компактні глобулярні структурні одиниці, з'єднані між собою гнучкими ділянками всередині білкової молекули.

первинна структура- певна послідовність нуклео-тідов в ланцюзі. Утворена фосфодіефірнимі зв'язками. Початок ланцюга - 5 "-кінець (на його кінці фосфатний залишок), кінець, завершення ланцюга, позначається як 3" (ОН)-кінець.

Як правило, в освіті самої ланцюга азотисті основи не беруть участь, але водневі зв'язку між комплементарними азотистими підставами грають важливу роль у формуванні вторинної структури НК:

· Між аденином і урацілом в РНК або аденін і тиміном в ДНК утворюються 2 водневі зв'язку,

· Між гуаніном і цитозином - 3.

Для НК характерна лінійна, а не розгалужена структура. Крім первинної і вторинної структури для більшості НК характерна третинна структура - наприклад, ДНК, тРНК і рРНК.

РНК (РНК).РНК міститься в цитоплазмі (90%) і ядрі. За структурою і функції РНК діляться на 4 види:

1) тРНК (транспортні),

2) рРНК (рибосомні),

3) мРНК (матричні),

4) яРНК (ядерні).

Матричні РНК. На їх частку припадає не більше 5% всієї РНК клітини. Синтезується в ядрі. Цей процес називається транскрипцією. Являє собою копію гена однієї з ланцюгів ДНК. Під час біосинтезу білка (цей процес називається трансляцією) проникає в цитоплазму і зв'язується з рибосомою, де і відбувається біосинтез білка. В мРНК міститься інформація про первинну структуру білка (послідовності амінокислот в ланцюжку), тобто послідовність нуклеотидів в мРНК повністю відповідає послідовності амінокислотних залишків у білку. 3 нуклеотиду, що кодують 1 амінокислоту, називаються кодоном.

Властивості генетичного коду.Сукупність кодонів становить генетичний код. Всього в коді 64 кодони, 61 - смислові (їм відповідає певна аміно-кислота), 3 - нонсенс-кодони. Їм не відповідає будь-яка амінокислота. Ці кодони називаються термінують, так як подають сигнал про завершення синтезу білка.

6 властивостей генетичного коду:

1) триплетність (Кожна амінокислота в білку кодується послідовністю з 3 нуклеотидів),

2) універсальність (Єдиний для всіх типів клітин - бактеріаль-них, тварин і рослинних),

3) однозначність (1 кодону відповідає лише 1 амінокіс-лота),

4) вирожденність (1 амінокислота може кодуватися кількома кодонами, тільки 2 амінокислоти - метіонін і триптофан мають по 1 кодону, інші - по 2 і більше),

5) безперервність (Генетична інформація зчитується по 3 кодону в напрямку 5 "®3" без перерв),

6) колінеарність (Відповідність послідовності нуклео-тідов в мРНК послідовності амінокислотних залишків у білку).

Первинна структура мРНК

Полинуклеотидная ланцюг, в якій виділяють 3 головні області:

1) претрансліруемая,

2) транслюється,

3) посттрансліруемая.

Претрансліруемая область містить 2 ділянки:

а) КЕП-ділянку - виконує захисну функцію (забезпе-чує збереження генетичної інформації);

б) АГ-область - місце прикріплення до рибосоми під час біосинтезу білка.

Транслюється область містить генетичну інформацію про структуру одного або декількох білків.

Посттрансліруемая область представлена \u200b\u200bпослідовністю нуклеотидів, що містять аденін (від 50 до 250 нуклеотидів), тому називається полі-А-областю. Ця частина мРНК виконує 2 функції:

а) захисну,

б) служить «проїзним квитком» під час біосинтезу білка, так як після одноразового використання від мРНК отщепляется кілька нуклеотидів з полі-А-області. Її довжина визначає кратність використання мРНК в біосинтезі білка. Якщо мРНК використовується тільки 1 раз, то вона не має полі-А-області., А її 3 "-кінець завершується 1 або декількома шпильками. Ці шпильки називаються фрагментами нестабільності.

Матрична РНК, як правило, не має вторинної та третинної структури (по крайней мере, про це нічого не відомо).

Транспортні РНК.Складають 12-15% від всієї РНК в клітині. Кількість нуклеотидів у ланцюгу - 75-90.

первинна структура - полинуклеотидная ланцюг.

вторинна структура - для її позначення використовують модель Р. Холлі, яка називається «листом конюшини», має 4 петлі і 4 плеча:

Акцепторні ділянку - місце прикріплення амінокислоти, має у всіх тРНК одну послідовність ЦЦА

позначення:

I - акцепторна плече, 7 пар нуклеотидів,

II - Дигидроуридиловая плече (3-4 пари нуклеотидів) і Дигидроуридиловая петля (D-петля),

III - псевдоуріділовое плече (5 пар нуклеотидів) і псевдоуріділовая петля (Tψ-петля),

IV- антикодоновая плече (5 пар нуклеотидів),

V - антикодоновая петля,

VI - додаткова петля.

Функції петель:

антикодоновая петля - розпізнає кодон мРНК,
D-петля - для взаємодії з ферментом під час біосинтезу білка,
TY-петля - для тимчасового прикріплення до рибосоми під час біосинтезу білка,
додаткова петля - для врівноваження вторинної структури тРНК.

третинна структура- у прокаріотів у вигляді веретена (D-плече і TY-плече згортаються навколо і утворюють веретено), у еукаріотів у вигляді перевернутої букви L.

Біологічна роль тРНК:

1) транспортна (доставляє амінокислоту до місця синтезу білка, до рибосоми),

2) Адапторная (розпізнає кодон мРНК), переводить шифр нуклеотидноїпослідовності в мРНК в послідовник-ність амінокислот у білку.

Хвороби, рибосоми.На їх частку припадає до 80% від всієї РНК клітини. Утворюють «скелет», або остов рибосом. Рибосоми - нуклеопротеіновие комплекси, що складаються з великої кількості рРНК і білків. Це «фабрики» з біосинтезу білка в клітині.

первинна структура рРНК- полинуклеотидная ланцюг.

За молекулярною масою і кількістю нуклеотидів у ланцюгу розрізняють 3 види рРНК:

високомолекулярну (близько 3000 нуклеотидів);
середньомолекулярні (до 500 нуклеотидів);
низькомолекулярну (менш 100 нуклеотидів).

Для характеристики різних рРНК і рибосом прийнято використовувати не молекулярну масу і кількість нуклеотидів, а коефіцієнт седиментації (Це швидкість осідання в ультрацентрифуге). Коефіцієнт седиментації виражається в Сведберг (S),

1 S \u003d 10-13секунд.

Наприклад, одна з високомолекулярних матиме коефіцієнт седиментації 23 S, середньо- і низькомолекулярні відповідно 16 і 5 S.

Вторинна структура рРНК- часткова спирализация за рахунок водо-рідних зв'язків між комплементарними азотистими підставами, освіту шпильок і петель.

третинна структура рРНК - більш компактна упаковка і накладання-ня шпильок у вигляді V- або U-подібної форми.

рибосоми складаються з 2 субодиниць - малої і великої.

У прокаріотів мала субодиниця матиме коефіцієнт седиментації 30 S, велика - 50 S, а вся рибосома - 70 S; у еукаріо-тов відповідно 40, 60 і 80 S.

Склад, будова і біологічна роль ДНК.У вірусів, а також в мітохондріях 1-цепочечная ДНК, в інших клітинах - 2-цепочечная, у прокаріотів - 2-цепочечная кільцева.

склад ДНК- дотримується суворе співвідношення азотистих основ в 2 ланцюгах ДНК, які визначаються Правилами Чаргафа.

Правила Чаргафа:

Кількість комплементарних азотистих основ одно (А \u003d Т, Г \u003d Ц).
Молярна частка пуринів дорівнює молярної частки піримідинів (А + Г \u003d Т + Ц).
Число 6-кетооснованій дорівнює числу 6-амінооснованій.
Співвідношення Г + Ц / А + Т - коефіцієнт видової специфічності. Для тварин і рослинних клітин< 1, у микроорганизмов колеблется от 0,45 до 2,57.

У мікроорганізмів переважає ГЦ-тип, АТ-тип характерний для хребетних, безхребетних і рослинних клітин.

Первинна структура -2 полінуклеотидні, антипаралельні ланцюжка (див. Первинну структуру НК).

вторинна структура - представлена \u200b\u200b2-цепочечной спіраллю, всередині якої комплементарні азотисті основи покладені як «стопок монет». Вторинна структура утримується за рахунок зв'язків 2 типів:

водневих - вони діють по горизонталі, між комплементарними азотистими підставами (між А і Т 2 зв'язку, між Г і Ц - 3),
сили гідрофобної взаємодії - ці зв'язки виникають між заступниками азотистих основ і діють по вертикалі.

вторинна структура характеризується:

кількістю нуклеотидів в спіралі,
діаметром спіралі, кроком спіралі,
відстанню між площинами, утвореними парою комплементарних основ.

Відомо 6 конформаций вторинної структури, які позначаються великими літерами латинського алфавіту: A, B, C, D, E і Z. А, В і Z конформації типові для клітин, інші - для безклітинних систем (наприклад, в пробірці). Ці конформації відрізняються основними параметрами, може бути взаємний перехід. Стан конформації багато в чому залежить від:

фізіологічного стану клітини,
рН середовища,
іонної сили розчину,
дії різних регуляторних білків і ін.

наприклад, В- конфомацію ДНК приймає під час поділу клітини і подвоєння ДНК, А-конформацію - під час транскрипції. Z-структура є левозакрученной, інші - правозакрученной. Z-струк-тура може зустрічатися і в клітці на ділянках ДНК, де повторюються дінуклеотідних послідовності Г-Ц.

Вперше вторинна структура математично була розрахована і змодельована Уотсоном і Криком (1953 р), за що вони отримали Нобелівську премію. Як виявилося згодом, представлена \u200b\u200bними модель відповідає По-конформації.

Основні її параметри:

10 нуклеотидів в витку,
діаметр спіралі 2 нм,
крок спіралі 3,4 нм,
відстань між площинами основ 0,34 нм,
правозакрученная.

При формуванні вторинної структури формується 2 види борозенок - велика і мала (відповідно шириною 2,2 і 1,2 нм). Великі борозенки відіграють важливу роль у функціонуванні ДНК, так як до них приєднуються регуляторні білки, які мають в якості домену «цинкові пальці».

третинна структура- у прокаріотів суперспіраль, у еукаріотів, і людини в тому числі, має кілька рівнів укладання:

нуклеосомної,
фібрилярний (або соленоїдний),
хроматиновой волокно,
петельний (або доменний),
супердоменний (саме цей рівень можна бачити в електронному мікроскопі у вигляді поперечної смугастість).

Нуклеосомної. Нуклеосома (відкрита в 1974 р) являє собою частку дісководной форми, діаметр 11 нм, яка складається з гістонові октамера, навколо якого дволанцюжкова ДНК робить 2 неповних витка (1,75 витка).

Гістони - низькомолекулярні білки, містять по 105-135 амінокислотних залишків, в гістонів Н1 - 220 амінокислотних залишків, до 30% припадає на частку ліз і арг.

Гістонові октамер називають кором. Він складається з центрального тетрамера Н32-Н42 і двох димарів Н2А-Н2В. Ці 2 димера стабілізують структуру і міцно пов'язують 2 полувітка ДНК. Відстань між нуклеосомами називається лінкером, в якому може міститися до 80 нукклеотідов. Гістон Н1 перешкоджає розкручуванню ДНК навколо кора і забезпечує зменшення відстані між нуклеосомами, т. Е. Бере участь у формуванні фібрілллли (2-го рівня укладання третинної структури).

При скручуванні фібрили формується хроматиновой волокно (3-й рівень), при цьому в одному витку зазвичай міститься 6-г нуклеосом, діаметр такої структури збільшується до 30 нм.

У інтерфазних хромосомах хроматіновие волокна організовані в домени, або петлі, Що складаються з 35-150 тис пар основ і заякоренних на внутрішньоядерних матриксе. У формуванні петель беруть участь ДНК-зв'язуючі білки.

Супердоменний рівень утворюють до 100 петель, в цих ділянках хромосоми в електронному мікроскопі добре помітні конденсовані щільно упаковані ділянки ДНК.

Завдяки такому укладанні ДНК компактно покладена. Її довжина скорочується в 10 000 разів. В результаті упаковки ДНК зв'язується з гистонами і іншими білками, утворюючи нуклеопротеіновий комплекс у вигляді хроматину.

Біологічна роль ДНК:

зберігання і передача генетичної інформації,
контроль розподілу та функціонування клітини,
генетичний контроль запрограмованої загибелі клітини.

До складу хроматину входять ДНК (30% від всієї маси хроматину), РНК (10%) і білки (гістонові і негістонові).

зразкові варіанти контрольної роботи по темі