Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
PAGE 16
Лекция 2
Белки
2. Структурные уровни пространственной организации белков.
Белки играют фундаментальную роль в формировании и поддержании структуры и функций живых организмов.
Белки (функции):
- принимают участие в построении клеток и тканей;
- осуществляют биологический катализ;
- регуляторные и сократительные процессы;
- защиту от внешних воздействий.
Каждый белок характеризуется специфической аминокислотной последовательностью и индивидуальной пространственной структурой (конформацией).
2.1. Связи, определяющие и стабилизирующие структуру биополимеров.
При рассмотрении пространственной структуры белков, необходимо, прежде всего, уделить внимание взаимодействиям (силам), стабилизирующим пространственную структуру белков.
2.1.1. Ковалентная (химическая) связь
Химические свойства живых организмов зависят от способности углерода, водорода, азота и некоторых других элементов образовывать ковалентные связи.
В органических соединениях этот тип связи является основным. Ковалентная связь возникает между атомами с относительно малыми различиями в электроотрицательностях, например, С и Н; С и О; С и N;
N и O, которые образуют химическую связь за счет общей электронной пары:
Связь, образованная путем обобществления пары электронов в результате перекрывания атомных орбиталeй связываемых атомов, называется ковалентной.
Энергия связи - энергия, выделяющаяся при ее образовании, или необходимая для разъединения двух связанных атомов.
Энергия связи характеризует ее прочность. Энергия ковалентной связи составляет от 300 до 700 кДж/моль.
Различают неполярную и полярную ковалентную связь:
Неполярная (симметричная) ковалентная связь - связь между атомами с практически равной электроотрицательностью и, следовательно, равномерным распределением электронной плотности между ядрами атомов.
Например: H-H, Cl-Cl, C-C.
Полярная (несимметричная) ковалентная связь - связь между атомами с различной электроотрицательностью и несимметричным распределением общей электронной пары.
Электронная плотность такой связи смещена в сторону более электроотрицательного атома, что приводит к появлению на нем частичного отрицательного заряда d- («дельта минус»), а на менее электроотрицательном атоме - частичного положительного заряда δ+ («дельта плюс») и молекула становится диполем (молекула воды):
Cδ+ Cld-, Cd+ Od-, Cd+ Nd-
Примеры образования ковалентной связи в полипептидах и белках:
а) пептидная связь, она представляет собой сопряжённый тип связи (промежуточный вариант между одинарной и двойной связью);
б) внутри- и межмолекулярные -S-S- связи:
!!! Как мы увидим в дальнейшем, образование S–S-связей играет важную роль в организации третичной структуры белка.
!!! Помимо сильных ковалентных взаимодействий существуют еще и слабые нековалентные взаимодействия, которые стабилизируют пространственную структуру органических молекул.
К ним относятся: ионные, водородные, гидрофобные связи и
ван-дер-ваальсовые взаимодействия.
2.1.2. Ионные или электростатические взаимодействия.
Химическая связь, основанная на электростатическом притяжении ионов, называется ионной связью.
Такая связь возникает при большой разнице в электроотрицательностях связываемых атомов: когда менее электроотрицательный атом почти полностью отдает свои валентные электроны и превращается в катион; другой, более электроотрицательный атом, эти электроны присоединяет и становится анионом.
Атом Na (1 электрон на внешнем уровне) и атом Cl (7 внешних электронов) превращаются в ионы Na+ и Cl- с завершенными внешними электронными оболочками (по 8 электронов), между которыми возникает электростатическое притяжение, т.е. ионная связь.
2.1.3. Водородная связь.
Структуру водородной связи мы с вами разберём на примере взаимодействия молекул воды между собой.
Молекула воды является диполем. Это объясняется тем, что атом водорода, связанный с более электроотрицательным элементом кислородом, имеющим неподелённую электронную пару, испытывает недостаток электронов и поэтому способен взаимодействовать с атомом кислорода другой молекулы воды.
В результате этого взаимодействия возникает водородная связь
(Рис. 2.1):
2.1. Механизм образования водородной связи между молекулами воды
Это объясняется тем, что атом водорода, связанный с более электроотрицательным элементом, имеющим неподелённую электронную пару (азотом, кислородом, фтором и др.), испытывает недостаток электронов и поэтому способен взаимодействовать с неподелённой парой электронов другого электроотрицательного атома этой же или другой молекулы.
В результате также возникает водородная связь, которая графически обозначается тремя точками (Рис. ):
Рис. 2.2. Механизм образования водородной связи между протоном (Н.δ+) и более электроотрицательными атомами серы(:Sδ-), кислорода (:Oδ-) и азота (:Nδ-)
Эта связь значительно слабее других химических связей (энергия ее образования 10-40 кДж/моль), и, в основном, определяется электростатическим и донорно-акцепторным взаимодействиями.
Водородная связь может быть как внутримолекулярной, так и межмолекулярной.
2.1.4. Гидрофобные взаимодействия
Прежде, чем рассматривать природу гидрофобного взаимодействия, необходимо ввести понятие «гидрофильных» и «гидрофобных» функциональных групп.
Группы, которые могут образовывать водородные связи с молекулами воды, называются гидрофильными.
К этим группам относятся полярные группы: аминогруппа (-NH2), карбоксильная (-COOH), карбонильная группы (-CHO) и сульфгидрильная группа (-SH).
Как правило, гидрофильные соединения хорошо растворимы в воде. !!! Это обусловлено тем, что полярные группы способны образовывать водородные связи с молекулами воды.
Появление таких связей сопровождается выделением энергии, поэтому и возникает тенденция к максимальному увеличению поверхности контакта заряженных групп и воды (Рис. 2.3):
Рис. 2.3. Механизм образования гидрофобных и гидрофильных взаимодействий
Молекулы или части молекул, неспособные образовывать водородные связи с водой называются гидрофобными группами.
К этим группам относятся алкильные и ароматические радикалы, которые неполярны и не несут электрического заряда.
Гидрофобные группы – плохо или вовсе не растворимы в воде.
Это объясняется тем, что атомы и группы атомов, входящие в состав гидрофобных групп, являются электронейтральными и (поэтому) не могут образовывать водородных связей с водой.
!!! Гидрофобные взаимодействия возникают в результате контакта между неполярными радикалами, неспособными разорвать водородные связи между молекулами воды.
В результате этого молекулы воды вытесняются на поверхность гидрофильных молекул (Рис. 2.3).
2.1.5. Ван-дер-ваальсовы взаимодействия.
В молекулах существуют также весьма слабые и короткодействующие силы притяжения между электрически нейтральными атомами и функциональными группами.
Это так называемые ван-дер-ваальсовые взаимодействия.
Они обусловлены электростатическим взаимодействием между отрицательно заряженными электронами одного атома и положительно заряженным ядром другого атома.
Так как ядра атомов экранированы окружающими их собственными электронами от ядер соседних атомов, то возникающие между различными атомами ван-дер-ваальсовы взаимодействия весьма невелики.
Все эти типы взаимодействий принимают участие в формировании, поддержании и стабилизации пространственной структуры (конформации) белковых молекул (Рис. 2.4):
Рис. 2.4. Механизм образования ковалентных связей и слабых нековалентных взаимодействий: 1 - электро-статические взаимодействия; 2 – водородные связи;
3 – гидрофобные взаимодействия, 4 – дисульфидные связи
Силы, которые способствуют формированию пространственной структуры белков и удерживающие её в стабильном состоянии, являются очень слабыми силами. Энергия этих сил на 2-3 порядка меньше энергии ковалентных связей. Они действуют между отдельными атомами и группами атомов.
Однако, огромное число атомов в молекулах биополимеров (белков), приводит к тому, что суммарная энергия этих слабых взаимодействий становится сравнима с энергией ковалентных связей.
2.2. Белки
В предыдущей лекции мы с вами говорили о том, что аминокислоты, соединяясь друг с другом посредством пептидных связей, образуют полипетиды.
!!! Белками являются полипетиды, способные образовывать и самостоятельно стабилизировать свою пространственную структуру.
Эта способность приобретается благодаря наличию большого числа слабых нековалентных взаимодействий и связана с числом аминокислотных остатков, образующих полипептидную цепочку.
Как правило, белками называют полипетиды, содержащие более 50 аминокислотных остатков.
Вместе с тем длина полипептидной цепи может достигать до нескольких тысяч остатков аминокислот; молекулярная масса белков колеблется от 6000 до 1 миллиона и более килодальтон.
2.2.1. Уровни структурной организации белковых молекул
При всем разнообразии функций, реализация функции белков всегда базируется на высоко специфическом — как у ключа с замком — взаимодействии белка с обрабатываемой им молекулой.
Для специфического взаимодействия необходима достаточно "твердая" пространственная структура. Поэтому биологическая функция белков тесно связана с наличием определенной трехмерной структуры молекулы.
Знание молекулярной трехмерной структуры белка необходимо для понимания механизма функционирования белковой молекулы.
Поэтому мы с вами сейчас будем говорить структуре, о природе ее стабильности и способности к самоорганизации
Обычно при рассмотрении пространственной организации биополимеров (белков и нуклеиновых кислот) выделяют четыре уровня: первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуры (Рис. 2.5):
Рис. 2.5. Уровни организации белковой структуры: первичная структура (аминокислотная последовательность), вторичная структура (a-спираль), третичная структура глобулы, сложенной одной цепью, и четвертичная структура олигомерного (в данном случае - тетрамерного) белка
2.2.1.1. Первичная структура белков
Первичная структура белков – последовательность аминокислот в полипептидной цепи (или цепях) и положение дисульфидных связей (если они есть (Рис. 2.6):
Рис. 2.6. Первичная структура белковой молекулы
Свойства первичной структуры:
1) Последовательность аминокислот в первичной структуре белка является специфической видовой характеристикой данного белка.
2) Первичная структура белка является основой для формирования последующих структур белка за счёт взаимодействия радикалов аминокислотных остатков полипептидной цепи.
2.2.1.2. Вторичная структура белков
Часто в полипептидных цепях содержатся участки, последовательность аминокислотных остатков которых, образует локально упорядоченные трёхмерные структуры.
Совокупность таких упорядоченных структур называют вторичной структурой белков.
В результате совокупности действия таких факторов, как:
- плоское строение пептидной связи;
- возможность свободного вращения связей у α-углеродного атома
- постоянство углов и межатомных расстояний
формируются следующие типы вторичной структуры белков:
α-спираль, β-структура и β-складка.
2.2.1.2.1. α-спираль
Одним из основных элементов вторичной структуры белков является α спираль (Рис. 2.7):
Рис. 2.7. Вторичная структура белковой молекулы: α-спираль (*)
Это — правая спираль, которую можно себе представить в виде пептидной цепи, закрученной вокруг гипотетического цилиндра. При графическом изображении спиральные участки изображаются цилиндром.
Характеристики α-спирали:
- содержит 3,6 аминокислотного остатка на виток с периодом повторяемости 5,4 нм *[0,54 Å (Å – ангстремы; 1 Å = 10 нм)];
- полипептидный остов образует плотные витки вокруг длинной оси молекулы;
- боковые радикалы выступают наружу;
- спираль удерживается водородными связями между атомом водорода N-H группы одной пептидной связи и кислородом группы С=О, принадлежащей другой пептидной связи, расположенной через четыре аминокислотных остатка над первой в следующем витке спирали;
- в α-спирали полностью использована возможность образования водородных связей (внутримолекулярные), поэтому она не способна образовывать водородные связи с другими элементами вторичной структуры.
Степень спирализации в белках колеблется от 5 до 80%. Для некоторых белков, например для цитохрома С, α-спираль лежит в основе пространственной структуры, другие, например химотрипсин, не имеют α спирализованных участков.
2.2.1.2.2. β-структура
β -структура является вторым элементом вторичной структуры белков. β-складчатые структуры – графически изображаются стрелкой (Рис. 2.8):
Рис. 2.8. Вторичная структура белковой молекулы: β-структура. Лист
β-структуры имеет складчатую поверхность. Водородные связи между β-тяжами изображены пунктиром
Характеристика β-структуры:
- остов полипептидной цепи в β-структуре вытянут таким образом, что имеет уже не спиральную, а зигзагообразную складчатую форму;
- боковые группы аминокислотных остатков (R-группы) направлены перпендикулярно плоскости складчатого слоя и расположены выше и ниже него;
- в отличие от α-спирали β-структура образована за счет межцепочечных водородных связей между соседними участками полипептидной цепи, так как внутрицепочечные контакты отсутствуют.
- в отличие от α-спирали, насыщенной водородными связями, каждый участок полипептидной цепи в β-структуре открыт для образования дополнительных водородных связей.
Соотношение между различными типами вторичных структур в составе белков варьирует в широких приделах, причём доля неупорядоченных структур часто превалирует над регулярными – α-спиралью и
β-структурой.
2.2.1.2.3. β-изгиб
В области неупорядоченных структур достаточно протяжённые зоны представлены петлями и резкими изгибами.
Наиболее часто встречаются так называемые β-изгибы, когда полипептидная цепь резко меняет своё направление на 180º. Этот изгиб по форме напоминает шпильку для волос и образуется между тремя аминокислотами за счет водородной связи (см. презентацию к лекции). Он необходим для изменения пространственного расположения полипептидной цепи при образовании третичной структуры белка.
!!! Какую именно конформацию принимают участки полипептидной цепи (α-спираль, β складку, β-изгиб или остаются неструктурированными) в значительной степени определяется первичной последовательностью полипептидной цепи.
2.2.1.4. Третичная структура белков
Третичная структура белков – это трёхмерная структура полипептидной цепи, которая определяется первичной и вторичной структурой и характеризуется наличием биологической активности.
Это объясняется тем, что в результате взаимодействий аминокислотных остатков полипептидной цепи уменьшается свободное вращение связей полипептидного остова.
Ограничение подвижности и тем самым формирование и поддержание третичной структуры возникает также за счёт общего вклада слабых нековалентных взаимодействий (Рис. 2.9):
Рис. 2.9. Связи, стабилизирующие третичную структуру белковой молекулы:
1 - электростатические силы притяжения между R-группами, несущими противоположно заряженные ионогенные группы (ионные связи); 2 - водородные связи между полярными (гидрофильными) R-группами; 3 - гидрофобные взаимодействия между неполярными (гидрофобными) R-группами;
4 - дисульфидные связи между радикалами двух молекул цистеина.
Рассмотрим особенности строения третичной структуры белковой молекулы на примере одного из самых простых белков – инсулина. Первичная последовательность инсулина приведена на рисунке 2.10, а третичная структура - на рисунке 2.11:
Рис. 2.10. Первичная последовательность гормона инсулина. Показаны
S–S-мостики и участки первичной последовательности, образующие вторичные структуры
Гормон состоит из двух пептидных цепей — короткой (21 аминокислотный остаток) и длинной (30 аминокислотных остатка).
Рис. 2.10. Третичная структура инсулина. Здесь спиралями представлены
a-спиральные участки, стрелками - b-складки и цилиндрическими кривыми - нерегулярные участки. Пунктиром показаны водородные связи, а сплошными линиями - S–S мостики.
На рисунке хорошо видно, что три S–S-мостика играют ключевую роль в организации третичной структуры:
- один из них взаимно ориентирует две α-спирали короткой последовательности;
- два других скрепляют короткую и длинную цепи;
- третичная последовательность буквально пронизана водородными связями;
- третичная структура инсулина состоит в основном из α-спиралей.
Третичная структура белковой молекулы возникает самопроизвольно. Движущей силой, свёртывающей полипетидную цепь белка в строгое трёхмерное образование, является взаимодействие аминокислотных радикалов с молекулами воды.
При этом гидрофобные радикалы втягиваются внутрь белковой молекулы, образуя там гидрофобную зону (гидрофобный карман), а гидрофильные радикалы ориентируются в сторону растворителя – воды.
2.2.1.5. Четвертичная структура белков
Четвертичная структура характерна для белков, построенных из двух или более пептидных цепей. Белки такого типа называются олигомерами или олигомерными белками. Отдельные структурные единицы олигомерного белка называют субъединицами или протмерами.
Субъединица (протомер) полипептидная цепь, характеризующаяся наличием третичной структуры.
Взаимное расположение субъединиц, т.е. способ их совместной укладки и упаковки с образованием нативной конформации олигомерного белка и называют четвертичной структурой.
Субъединицы связаны друг с другом посредством лишь слабых нековалентных взаимодействий (электро-статических, водородных, гидрофобных). Причем субъединицы взаимодействуют друг с другом только определенными участками своей поверхности (контактные участки).
Взаимное «узнавание» контактных участков происходит по принципу комплементарности. Каждая субъединица взаимодействует с другими во многих точках. Следовательно, ошибочные комплексы в олигомере практически невозможны.
Олигомерный белок может содержать две, три, четыре или более субъединиц. Иногда встречаются олигомеры, состоящие из 12 субъединиц и имеющие молекулярную массу до 1 000 000 килодальтон. Субъединицы могут быть одинаковыми или разными.
Взаимное расположение субъединиц, т.е. способ их совместной укладки и упаковки с образованием нативной конформации олигомерного белка и называют четвертичной структурой.
Наиболее изученным олигомерным белком является человеческий гемоглобин, который состоит из четырех субъединиц, двух α- (по 141 остатку в каждой) и двух β-субъединиц. (по 146 остатков в каждой). Субъединицы уложены приблизительно в виде тетраэдра, с каждой субъединицей связана одна молекула гема (Рис. 2.12):
Рис. 2.12. Строение молекулы гемоглобина: его субъединиц и структура гема (порфиринового комплекса Fe)
Третичная структура каждой субъединицы гемоглобина имеет много общего с третичной структурой миоглобина (Рис. 2.13):
Рис. 2.13. Строение молекулы миоглобина
Такое сходство связано с тем, что обе молекулы выполняют сходную функцию: связывание и транспорт кислорода. Модель молекулы гемоглобина.