Структура белка

Конформационная энергия полипептида
Общее строение полипептидной цепи,
характеризуется тремя углами:

Пептидная связь – ω - угол
Однако, двойной характер пептидной связи препятствует вращению вокруг нее: ω=const=180°. В полипептидной цепи имеет место только попарное кооперативное взаимодействие при вращении вокруг единичных связей при одном α-атоме аминокислот.

1. Компланарность – все атомы, входящие в пептидную группу, находятся в одной плоскости.
2. Способность к существованию в двух резонансных формах: (кето- или енольная)
3. Транс-положение заместителей по отношению к С-N-связи.
4. Способность к образованию водородных связей.
Электронная конфигурация полипептидной цепи

Пространственная конфигурация полипептидной цепи
Таким образом, пространственная конфигурация полипептидной цепи будет зависеть от кооперативного взаимодействия φ и ψ углов у альфа атома углерода.

Не все значения углов ψ и φ допустимы вследствие возможного стерического несоответствия двух соседних аминокислотных остатков. Индийский ученый Г. Рамачандран рассчитал допустимые значения углов ψ и φ (углы отсчитываются от плоской транс-конформации полипептидной цени) и построил стерические карты, на которых но оси абсцисс откладываются значения углов φ от 0 до 360°, а по оси ординат - значения углов ψ. На карте отмечаются полностью разрешенные (при обычных межатомных расстояниях) и частично разрешенные (при минимальных межатомных расстояниях) области значений этих углов.
Стерическая карта Рамачандрана для поли-L-аланина.
Сплошные линии обозначают границы полностью разрешенных областей; пунктирные - частично разрешенных. На карте указаны области значений углов ψ и φ для параллельной (βп„) и антипараллельной (βа) β-форм, спирали белка коллагена (К), правой (αR) и левой (αL) α -спиралей.

Вторичная структура полипептида
Α-спираль
β – формы

Связи и взаимодействия, стабилизирующие пространстненную структуру белков: I — ионная; II — водородная; III — дисульфидная; IV — область гидрофобных взаимодействий между неполярными группами.

Раздел: Молекулярная биофизика
Тема: Динамика биополимеров

Пространственная структура миоглобина (кашалота) в проекции ху
Миоглобин (переносчик кислорода в мышцах) содержит один гем и одну полипептидную цепь, включающую 153 остатка, которые распределены в основном по 8 а-спиральным участкам (А — Н). Гем, в центре которого расположен атом Fe, находится между спиралями Е и F.

Расщепление d-орбиталей в октаэдрическом комплексе (I): и распределение d-электронов по орбиталям высокоспинового (расщепление Δ мало) и низко спинового (расщепление Δ велико) состояний иона Fe2+ (II)

Структурные изменения, происходящие в гемоглобине при оксигенации (объяснение см. в тексте) (по Д. Мецлеру, 1980)

Переход из T в R форму у гемоглобина

Туннельный перенос электрона в биоструктурах

Методы изучения подвижности белков
Люминесцентные методы
ЭПР
ЯМР
ЯГР спектроскопия
Метод изотопного обмена

Кривые потенциальной энергии основного (So) и синглетного возбужденного (S*) состояний двухатомной молекулы:
U — потенциальная энергия; г — межъядерное расстояние; I — интенсивность поглощения; X — длина волны; 0-5 — колебательные подуровни ядерных состояний

Электронные уровни органической молекулы и переходы между ними (схема Яблонского): р — вероятность переходов в единицу времени на основной уровень с испусканием флуорисценции, qi—то же, без излучения; г — вероятность конверсии и триплетное состояние.
Молекула обладает системой триплетных T1, Т2,... и синглетных возбужденных уровней S 1, S2,..., Sn. При переходе на один из высших возбужденных синглетных уровней избыток энергии быстро (10-12 с) диссипирует; молекула попадает на низший возбужденный синглетный уровень S1, с которого и происходит переход (S1 → S0) или
внутримолекулярная конверсия (S1 → Т1). Суммарная вероятность (P) дезактивации определяется суммой величину, qi, r:
Р = р + qi + r

Люминесцентные методы
Измерение внутримолекулярной подвижности белка по зависимости положения максимума люминесценции метки, введенной в белок, либо собственной люминисценции триптофана белка от температуры
Характеристика подвижности окружения метки
t=10-2-10-6 c
τ=10-1-10-2 c
τ*=10-8-10-9 c

Зависимость положения спектра флуорисценции водного раствора (3-лактоглобулина (I) и нейтротоксина II кобры (II) от температуры при рН 6,5 (по Е. А. Пермякову, 1977)

Методы радиоспектроскопии
ЭПР и ЯМР
Расщепление энергетических уровней электрона (протона) в магнитном поле (Н)

Энергетические уровни электрона в магнитном поле. А — один электрон (спин 1/2); Б — три электрона (максимальное значение спина 3/2;

Линия поглощения СВЧ-
а) поля
б) ее первая производная
Ось абсцисс — величина постоянного магнитного поля Н, которая плавно меняется при постоянной частоте СВЧ-поля до достижения значений, соответствующих условию резонансного поглощения

Линия резонанса ЭПР
Ширина:
Т1 – время передачи энергии окружающей среде
Т2 – время спин-спинового взаимодействия
Для свободных радикалов: Т1 >> Т2

Схема парамагнитного фрагмента нитроксильного радикала

Спектр ЭПР парамагнитной метки, присоединенной к гис-15 лизоцима (рН 7,0; t=26°C) (по Г.И. Лихтенштейну, 1971):
h-1, h0, h+1—интенсивность компонентов, соответствующих M= —1;0;+1; ΔH0—ширина центрального компонента

ЯМР-спектроскопия
Измерение времени релаксации Т1 и Т2 по ширине линии резонанса.
Определение времени вращения метки, на которой наблюдается резонанс
Оценка подвижности белковых структур в состав которых входят «резонирующие» протоны
Изучение некоторых видов внутримолекулярного движения в белках
Информация о химической структуре молекулы

Спектр ЯМР ацетальдегида СН3СНО
СНО химический сдвиг СН3
по А.Керрингтону, Э. Мак-Лечлану, 1970

ЯГР спектроскопия
Дает информацию не только о временных, а также амплитудных характеристиках движений в белке (средние величины смещений атомов в структуре белка за
t=10-7-10-9 c)
Основан на резонансном поглощении γ-квантов тяжелым ядром атома
Эффект Мёссбауэра

Эффект Мёссбауэра
Уширение спектра обусловлено диффузией молекул белка. Изменение частоты уширения пропорционально скорости источника (v)

Ферментативный катализ

Ферменты (от латинского fermentum – закваска), энзимы (от греческого en – "в" и zyme – "закваска") или биокатализаторы, – это вещества биологического происхождения, ускоряющие химические реакции

Ферменты отличаются от других катализаторов тремя уникальными свойствами:
- высокой эффективностью действия,
- специфичностью действия,
- способностью к регуляции.

Взаимодействия, которые играют главную роль при связывании субстрата в активном центре фермента и образовании комплекса фермент-субстрат в воде:
1) образование ковалентных связей;
2) гидрофобные взаимодействия между неполярными (углеводородными) фрагментами субстратной молекулы и дегидратированными (хотя бы частично) областями поверхностного слоя глобулы;
3) электростатические взаимодействия между заряженными группами субстрата и ионизованными аминокислотными остатками полипептидных цепей;
4) образование водородных связей.

Основные механизмы управления каталитической активностью фермента связаны со следующими явлениями и процессами:
1) аллостерия;
2) кооперативность;
3) связывание с лигандами (ингибиторами, активаторами, эффекторами, индукторами);
4) существование белковых переключателей.

Picture of G-Protein Receptor Family 7 TM Transmembrane Domains