Простые и сложные белки. Уровни структурной организации белка. Тема 4

Белки́ (протеи́ны, полипепти́ды) (англ. Proteins) высокомолекулярные органические вещества, состоящие из альфа-аминокислот, соединённых в цепочку пептидной связью.
Белки входят в состав всех клеток живых организмов и участвуют во всех этапах обмена веществ.
Изучение белков ведется с конца XVIII века. Мощный рывок в биохимических исследованиях был сделан во второй половине XIX столетия, когда Теодор Шванн и Жан Корвизар установили, что белки образуются из аминокислот. Среди отечественных ученых особых высот в изучении белков достиг Владимир Энгельгардт. Ему принадлежат работы об антиферментах, свойствах гемоглобина и методов консервирования крови.

Образование полипептидов и биосинтез белка
В живых организмах полипептидные (белковые) цепи синтезируются специальными молекулярными комплексами – рибосомами
2. Присоединение аминокислот к полипептидной цепи требует затраты энергии в виде АТФ или ГТФ.
3. Аминокислоту, вошедшую в состав пептидной цепи, называют аминокислотным остатком.

При соединении большого числа (обычно более сотни) аминокислот путем образования пептидных связей формируется полипептидная цепь, имеющая неразветвленную структуру
N - конец
С - конец

1. Белки состоят из одной или нескольких полипептидных цепей
2. Последовательность аминокислот в полипептидных цепях белка уникальна и определяется генами
3. После синтеза полипептидной цепи на рибосоме она может подвергаться различным модификациям.

1. Отдельные боковые цепи цистеина в белке могут быть соединены между собой дисульфидными связями (мостиками), которые образуются в результате окисления остатков цистеина.
Н
Н
О

Последовательность аминокислот и расположение дисульфидных мостиков в белке лизоциме (из куриных яиц)

Ген – это участок ДНК, где зашифрована информация о последовательности аминокислот в каком-либо белке

3. После синтеза белка некоторые аминокислотные остатки могут подвергаться специфической посттрансляционной модификации – к ним присоединяются определенные химические группы.

Простые и сложные белки
Простые белки содержат только аминокислотные остатки
Сложные белки содержат еще и неаминокислотные компоненты: гем, производные витаминов, липидные или углеводные компоненты. Эти компоненты могут быть связаны с полипептидной цепью ковалентно или нековалентно.

Антитело IgG
Гемоглобин
Инсулин
Аденилатциклаза
Глютаминсинтетаза

Все белки обязательно имеют две характеристики:
Молекулярная масса
Изоэлектрическая точка
А́томная едини́ца ма́ссы (русское обозначение: а. е. м.; международное: u), она же дальто́н (русское обозначение: Да, международное: Da), она же углеродная единица — внесистемная единица массы, применяемая для масс молекул, атомов, атомных ядер и элементарных частиц. Атомная единица массы определяется как 1⁄12 массы свободного покоящегося нуклида углерода 12C, находящегося в основном состоянии.
1 а. е. м. = 1,660 540 2(10)·10−27 кг = 1,660 540 2(10)·10−24 г.

Молекулярная масса и количество аминокислот в некоторых белках

Изоэлектрическая точка некоторых белков

Пищевая ценность белков определяется способностью перевариваться в ЖКТ и содержанием незаменимых аминокислот
Например, белки яиц, молока, мяса перевариваются полностью;
Растительные белки, особенно злаков, полностью, как правило, не перевариваются. Фибриллярные белки (волос, шерсти, ногтей и т.п.) не перевариваются.
Белки, способные перевариваться в ЖКТ, по пищевой ценности делятся на:
1. Полноценные – белки, в которых содержатся все незаменимые и частично заменимые аминокислоты. Многие животные белки: белки мяса, яичный альбумин, казеин молока.
2. Неполноценные – белки, в которых нет хотя бы одной незаменимой аминокислоты. В основном, растительные белки, в которых редко встречаются: Мет, Лиз, Три, Тре.

Уровни структуры белка
Первичная структура – последовательность аминокислотных остатков в полипептидных цепях. Первичная структура полностью описывает ковалентные связи в белке.
Вторичная структура – взаимное расположение аминокислотных остатков, расположенных рядом в аминокислотной последовательности. Вторичная структура может быть нерегулярной и регулярной.
Третичная структура – взаимное расположение в пространстве всех аминокислотных остатков белка.
Четвертичная структура – имеется у белков, состоящих из нескольких полипептидных цепей, соединенных нековалентно. Четвертичная структура – способ укладки полипептидных цепей относительно друг друга.

Для глобулярных белков наиболее важной является третичная структура. Для фибриллярных белков наиболее важна вторичная структура (третичная структура у них почти или совсем не выражена).

Вторичная структура

Пептидная связь
N
H
C
R1
H
C
O
N
H
R2
C
H
C
O
Формальное представление
• •
В действительности пептидная
связь является частично двойной
Неподеленная
электронная пара
σ+
σ−
Смещение
электронной
плотности
Фрагмент полипептидной цепи

Вращение
невозможно
Вращение
возможно
Вращение
возможно

Типы регулярных вторичных структур
α-спираль
β-слой
! В белках обычно встречается правая альфа-спираль.

Свойства α-спирали
Шаг правой α-спирали – 0,54 нанометра (3,6 аминокислотных остатка).
Шаг левой α-спирали 0,96 нанометра
2. В альфа-спирали CO-группа основной цепи каждого остатка связана водородной связью с NH-группой остатка, отстоящего от него на 4 позиции в полипептидной цепи.
4. В образовании водородных связей участвуют все пептидные группы.
5. Гидрофобность альфа-спиральных областей повышена, так как все атомы кислорода и азота пептидных групп уже вовлечены в водородные связи.
6. Остатки некоторых аминокислот способствуют образованию альфа-спирали, других – затрудняют образование альфа-спирали. Пролин делает продолжение альфа-спирали невозможным.

Типы β-слоев
1. Параллельный (соседние полипептидные цепи идут в одном направлении)
2. Антипараллельный (соседние цепи идут навстречу друг другу).

Параллельный β-слой
Анти-параллельный β-слой

В типичном белке около 60% аминокислотных остатков принимает участие в формировании регулярных вторичных структур.

1. Третичная структура белка – общая укладка полипептидной цепи.
2. Третичная структура каждого белка уникальна.
Третичная структура белка

Взаимодействия, формирующие третичную структуру белка
Гидрофобные
Гидрофобные взаимодействия связаны с тем, что гидрофобные (неполярные и незаряженные) боковые цепи АК стремятся избежать контакта с водой.
2. Электростатические связи (солевые мостики).
Возникают между разноименно заряженными боковыми цепями аминокислот
3. Водородные связи.
4. Дипольные взаимодействия.
5. Ван-дер-ваальсовы взаимодействия.
Являются наиболее слабыми, но также вносят свой вклад в стабилизацию белковой структуры.

Неполярные группы
Гидрофобные
взаимодействия
H2O
H2O

Гидрофобные аминокислоты -
неполярные и незаряженные
Алифатические
Ароматические
Аланин
Валин
Лейцин
Изолейцин
Фенилаланин
Триптофан
Для тирозина:
ОН
Гидрофобная
часть
Гидрофильная
группа

На поверхности белка располагаются аминокислотные остатки с ионогенными боковыми цепями, которые могут нести заряд. Будут ли они нести заряд, определяется кислотностью среды (pH).
Ионогенные боковые цепи имеют: лизин и аргинин

Ионные мостики

Строение типичного глобулярного
водорастворимого белка
Вода
Гидрофобное
ядро
Гидрофильная поверхность
Гидрофобные островки

Процесс формирования трехмерной структуры белка – сворачивание (фолдинг) белка.
Фолдинг белка происходит, в нормальных условиях, самопроизвольно и не требует дополнительных внешних механизмов. Первичная структура белка полностью определяет его уникальную трехмерную структуру.

Схематичное представление укладки белка в третичную структуру

Отдельные аминокислотные остатки, удаленные в аминокислотной последовательности полипептида, сближены в третичной структуре белка.
Так образуются активные центры ферментов и центры связывания различных молекул.

Домен белка — элемент третичной структуры белка, представляющий собой достаточно стабильную и независимую подструктуру белка, фолдинг которой проходит независимо от остальных частей.
Доменная структура необходима для функционирования некоторых белков.

"Лейциновая застёжка-молния" между α-спиральными участками двух белков.
Н2О
Н2О
Н2О

Локализация гидрофобных и гидрофильных радикалов аминокислотных остатков в молекуле белка. А - гидрофильный цитоплазматический белок; Б - гидрофобный мембранный белок. ■ - полярные (гидрофильные) радикалы; • - неполярные (гидрофобные радикалы)
Гидрофобный слой

!!! Для сложных белков (которые содержат не только аминокислоты, но и неаминокислотные компоненты) расположение неаминокислотных компонентов относительно полипептидной цепи также относится к третичной структуре.

Четвертичная структура
Если белки состоят из двух и более полипептидных цепей, связанных между собой нековалентными связями, то они обладают четвертичной структурой.
Отдельные полипептидные цепи формируют в этом случае субъединицы. Пример такого белка – гемоглобин. Он имеет 4 субъединицы.

Многие ферменты имеют две каталитические субъединицы, которые согласованно меняют свою конформацию. В других случаях ферменты имеют как каталитические, так и регуляторные субъединицы.
Связывание определенных молекул с регуляторными субъединицами меняет их конформацию, что вызывает, в свою очередь, изменение конформации каталитических субъединиц. Так происходит регулирование активности этих ферментов.

Сложная третичная и четвертичная структура белков необходима не только для выполнения ими их непосредственной функции, но и для регулирования их активности и для их взаимодействия с другими макромолекулами.
Например, многие ферменты имеют не только каталитический центр, но также центры связывания молекул – регуляторов и области связывания с другими белками. Многие ферменты имеют специальные регуляторные субъединицы.
Сложная структура ферментов клетки позволяет им специфично объединяться в мультиферментные комплексы.

Денатурация белка
Денатурация белка – нарушение вторичной и/или уникальной третичной структуры белка, сопровождающееся изменением его физико-химических свойств и потерей биологической активности.
! Денатурированный белок может выпадать в осадок. Будет ли белок выпадать в осадок при денатурации, зависит от условий и от природы денатурирующего воздействия.

Денатурирующие агенты и воздействия:
1. Высокая температура
2. Сильные минеральные кислоты и основания. Разрушают ионные мостики и придают молекуле белка сильный заряд, который дестабилизирует структуру.
3. Хаотропные агенты (мочевина)
Данные агенты влияют на структуру воды и нарушают гидрофобные взаимодействия. Действуют в достаточно высокой концентрации (мочевина – при концентрации 7 моль/литр).
4. Ионные детергенты
Образуют с полипептидной цепью мицеллы.
5. Соли тяжелых металлов (ртути, свинца, кадмия)
6. Органические растворители (хлороформ, спирты, ацетон)

Денатурация белка детергентами
Денатурация белка восстанавливающими и хаотропными агентами

Ренатурация белка
Если белок при денатурации остался в растворе, он может быть ренатурирован при возвращении условий к нативному диапазону (при удалении денатурирующего агента.) Эффективность процесса ренатурации в растворе может быть разной для разных белков. С ренатурацией конкурирует такой процесс как агрегация.

Посттрансляционная модификация белков

1. Гидроксилирование
Гидроксилированием называют введение в молекулу органического соединения гидроксильной группы.
1) Гидроксилирование фенилаланина приводит к образованию тирозина:
Отсутствие в организме фермента, катализирующего эту реакцию, приводит к тяжелому заболеванию - фенилкетонурии.
2) Реакция гидроксилирования пролина.
Гидроксилирование пролина необходимо для стабилизации тройной спирали коллагена, которая осуществляется за счет образования водородных связей.
При цинге нарушается гидроксилирование остатков пролина и лизина. В результате образуются менее прочные коллагеновые волокна, что приводит к хрупкости и ломкости кровеносных сосудов.

2. Гликозилирование

3. Фосфорилирование
Фосфотирозин

4. Метилирование

5. Сульфатирование

6. Добавление гидрофильных групп

7. Ацетилирование

Катаболизм белков

1. В нейтральной среде полипептидная цепь является химически стабильной. В сильнокислой среде и при нагревании, полипептидная цепь распадается на аминокислоты.
2. В живых организмах распад полипептидной (белковой) цепи на аминокислоты может происходить в результате каталитической активности соответствующих ферментов: протеаз и пептидаз.

Ферменты, осуществляющие деградацию белков, называются протеазами. По месту атаки молекулы субстрата протеолитические ферменты делятся на:
1. Эндопептидазы, или протеиназы, расщепляют пептидные связи внутри пептидной цепи. Они узнают и связывают короткие пептидные последовательности субстратов и относительно специфично гидролизуют связи между определёнными аминокислотными остатками.
2. Экзопептидазы гидролизуют пептиды с концов цепи: аминопептидазы — с N-конца, карбоксипептидазы — с С-конца.
3. Дипептидазы расщепляют только дипептиды.
По механизму катализа Международный союз по биохимии и молекулярной биологии выделяет несколько классов протеаз:
- сериновые протеазы
- аспарагиновые протеазы
- цистеиновые протеазы
- металлопротеазы