Рівні структурної організації білків.

Організація змісту навчального матеріалу.

1. Функції білків в організмі.

2. Утворення та структура пептидного зв”язку.

3. Хімічні властивості пептидів в залежності від їх складу.

4. Рівні структурної організації білків та типи зв”язків, що їх визначають.

5. Фізико-хімічні властивості білків. Осадження. Денатурація.

Функції білків в організмі людини.

Білки – біоорганічні високомолекулярні сполуки, молекули яких є гетерополімерами, побудованими із залишків α-L-амінокислот, сполучених кислото-амідними (пептидними) зв'язками. Пептиди (поліпептиди) – це біомолекули, що відрізняються від білків меншими розмірами і молекулярною масою, а також фізико-хімічними властивостями.

Білки та пептиди є найбільш розповсюдженими видами серед всіх біомолекул в складі живих організмів. Вони входять до складу всіх клітинних компонентів (ядра, біомембран, цитозолю, органел) та міжклітинної речовини. Білковий склад живих клітин залежить від ступеню складності геному і етапу еволюційного розвитку організму. Кіллькість різних білків в прокаріотичній клітині E.Coli становить близько 3 000, в організмі людини – близько 5 000 000, а всього в біосфері Землі – 10¹⁰ – 10¹² різних білків.

Функції, що виконують білкові молекули, дуже важливі та різноманітні:

1. Ферментативна (каталітична) функція. Всі ферменти (біокаталізатори) є за своєю хімічною природою білками чи комплексами білків з небілковими сполуками (коферментами, кофакторами).

2. Структурна функція. Білки входять до структури біомембран, складають основу цитоскелету (мікротрабекулярна сітка, мікрофіламенти), міжклітинного матриксу (колаген, еластин) та певних спеціалізованих тканин (кератини).

3. Енергетична функція. За рахунок окислення вуглецевого скелету амінокислот харчових та тканинних білків організм людини одержує до 10 % хімічної енергії, необхідної для його життєдіяльності.

4. Регуляторна та рецепторна функція. Білкову або пептидну природу мають багато біорегуляторів: гормони, медіатори та модулятори, що продукуються ендокринною, нервовою і імунною системами. Білками є також мембранні і цитозольні рецептори – ультраструктурні утворення, які сприймають хімічний сигнал від певного біорегулятора.

5. Транспортна функція. Спеціалізовані білки (гемоглобін, трансферин, альбуміни) зв'язують і здійснюють міжклітинний та внутрішньоклітинний (трансмембранний, цитоплазматичний) транспорт різних лігандів – біомолекул, О₂, іонів металів, лікарських засобів.

6. Скоротлива функція. Білки є молекулярними структурами, які реалізують скоротливу функцію м'язів (актин, міозин), клітинних жгутиків та війок (динеїн, тубулін).

7. Захисня функція. Спеціалізовані білки здійснюють функцію імунного захисту (імуноглобуліни, інтерлейкіни, інтерферони і т.і.). Білки згортальної, антизгортальної і фібринолітичної систем крові протидіють кровотечам та тромбоутворенню.

Таким чином, взаємодія і (або) перетворення певних білкових молекул складають основу реалізації будь-якої фізіологічної функції на всіх рівнях структурної організації живих організмів.

Рівні структурної організації білків.

1. Первинна стуктура – це певна послвдовність залишків α-амінокислот, що утворюють поліпептидний ланцюг, з урахуванням їх кількості і якості. Формують первинну структуру пептидні (амідні) зв'язки:

Початком пептиду вважається амінокислотний залишок з вільною α-аміногрупою (N-кінець), а кінцем – залишок амінокислоти з вільною α-карбоксильною групою (С-кінець).

Будова пептидної групи.

Чотири атоми пептидної групи (–CO-NH-) мають особливості:

- всі чотири атоми цієї групи розміщені в одній геометричній площині (компланарні);

- атоми кисню і водню знаходяться в транс-положенні відносно С-N - зв'язку;

- довжина зв'язку між атомами С та N (0,132 нм) є проміжною між довжиною одинарного зв'язку (0,147нм) й довжиною подвійного зв'язку (0,127 нм). Це означає, що пептидна група є трьохцентровою спряженою системою, для якої справедливими є дві резонансні структури (кето-форма і енольна форма):

- вільнее обертання в поліпептидному ланцюзі з утворенням різних конформацій білкової молекули можливо тільки біля груп –СHR сусідніх амінокислотних залишків.

В зв'язку зі здатністю окремих частин поліпептидного ланцюга взаємодіяти один з одним, пептидний ланцюг може набувати і більш складні рівні структури (вторинну, третинну та четвертинну). Але їх вид визначається первинною структурою.

2. Вторинна структура білків – це ряд впорядкованих конформацій поліпептидного ланцюга, обумовлений утворенням водневих зв'язків між просторово наближеними пептидними групами.

Розрізняють такі основні види вторинної структури:

- α-спіраль,

- спіраль колагену,

- β-структуру,

- невпорядковану (хаотичну) структуру.

α-Спіраль –це конформація, що утворюється при просторовому скручуванні поліпептидного ланцюга за рахунок водневих зв'язків, які виникають між пептидними групами поліпептидного ланцюга, віддаленими одна від одної на чотири амінокислотних залишки. Водневі зв'язки в α-спіралі спрямовані паралельно осі молекули.

Напрямок обертання в природних білках для поліпептидного ланцюга в такій спіралі – правий («правозакручена спіраль»). Геометричні параметри α-спіралі: радіус – 0,25 нм; крок спіралі – 0,54 нм; на один оберт α-спіралі припадає 3,6 амінокислотних залишка.

Спіраль колагену. Формування α-спіралі залежить від просторових (стеричних) взаємовідносин між амінокислотними залишками, що утворюють поліпептидний ланцюг. Окремі амінокислоти (пролін, глутамінова кислота, глутамін, аспарагінова кислота, аргінін) протидіють утворенню α-спіралі або дестабілізують її. В зв'язку з цим можливо утворення спіралеподібних структур іншого виду. Прикладом є спіраль колагену (головного білкового компоненту сполучної тканини), особливістю первинної структури якого є постійне повторення фрагменту –Глі-Про-. Всього в складі колагену міститься близько 33 % гліцину і 21 % проліну та гідроксипроліну.

β-Структура – це структура типу складчастого шару, що утворюється з декількох зигзагоподібно згорнутих поліпептидних ланцюгів (чи фрагментів одного і того ж ланцюга), розташованих поруч.

β-Структура формується переважно за рахунок міжланцюгових водневих зв'язків сусідніх поліпептидних послідовностей.

Прикладом білків з β-конформацією є β-кератини, що складаються з зигзагоподібних антипаралельно орієнтованих поліпептидних ланцюгів. Представником β-кератинів є фіброїн – фібрилярний нерозчинний білок шовку та павутиння.

Невпорядкована (хаотична) структура також утворюється при формуванні водневих зв'язків між просторово наближеними пептидними групами, проте виникають такі зв'язки нерегулярно, самочинно та хаотично.

В багатьох природніх білках на протязі однієї поліпептидної послідовності присутні як α-спіралізовані ділянки, так і зони, які мають β-складчасту структуру чи нерегулярну конформацію. Наприклад, в молекулі хімотрипсину до 14 % загальної довжини поліпептидного ланцюга припадає на α-спіраль, 45 % - на β-структуру, 61 % складають ділянки з невпорядкованою структурою.

Супервторинна структура. Декілька білкових молекул з вторинною структурою у вигляді спіралі можуть взаємодіяти одна з одною, утворюючи міжмолекулярні комплекси, що є суперспіралізованими (супервторинними) структурами. Таким чином відбувається формування багатьох біологічно важливих фібрилярних білків, наприклад, мікрофібрил тропоколагену – структурных одиниць колагенових фібрил сполучної тканини, молекул β-кератинів – основного типу фібрилярних білків, з яких побудовані зовнішні покривні тканини хребетних тварин (епідерміс, волосся, нігті людини).

3.Третинна структура білків – це спосіб укладання в певному об'ємі тримірного простору поліпептидного ланцюга з певною вторинною структурою. В утворенні та стабілізації третинної структури беруть участь різні типи зв'язків між бічними радикалами амінокислотних залишків (водневі, іонні, гідрофобні, тощо).

Водневі зв'язки –слабкі, нековалентні. Вони утворюються між двома електронегативними атомами (різними або однаковими) за участю атома водню, зв'язаного з одним з цих електронегативних атомів ковалентно. Наприклад:

δ- δ+ δ- δ- δ+ δ- δ- δ+ δ-│

-О-Н…О=С- -О…Н-N- -N-H...N-

‌‌‌‌│ │ │ │ │

H H H H H

Механізм утворення водневих зв'язків – електростатична взаємодія між протилежними частково зарядженими атомами та групами атомів.

Іонні зв'язки утворюються за тим же механізмом між протилежно зарядженими іонізованими кінцевими аміно- і карбоксильними групами:

-СОО^-...NH₃⁺-

Дисульфідні зв'язки – ковалентні, утворюються при дегідруванні двох просторово наближених –SH груп в складі залишків цистеїну поліпептидного ланцюга:

-SH + HS- → 2H + -S-S-

Гідрофобні зв'язки утворюються між гідрофобними радикалами амінокислотних залишків. Ці радикали витискуються із зовнішньої гідрофільної зони всередину молекули, де між ними виникають зв'язки.

Глобулярні білки – це білки, що мають округлу форму (шароподібну чи еліпсовидну), згорнуті в щільну структуру. Вони можуть бути утворені одним або декількома поліпептидними ланцюгами, сполученими дисульфідними зв'язками. До них належать альбумін сироватки крові, міоглобін м'язів, більшість ферментативних білків.

Фібрилярні білки – це білки, структурною особливістью котрих є видовжена форма молекул (довжина молекули більше ніж в 50 разів превищує їх ширину). Такі білки здатні формувати мультимолекулярні ниткоподібні комплекси – фібрили, які складаються з декількох паралельних поліпептидних ланцюгів.

Фібрилярні білки є часто структурними компонентами сполучної тканини або інших опорних тканин організму. Прикладами структурних фібрилярних білків є колаген, еластин, α-кератини покровних тканин.

Доменні білки – це білкові молекули, окремі ділянки поліпептидного ланцюга яких можуть утворювати глобулярні структури (домени). Створюється враження, що такий білок складається з декількох поліпептидних ланцюгів (тобто має четвертинну структуру). Домени сполучені між собою «шарнірними ділянками» поліпептидного ланцюга – ділянками, що легко конформуються. Прикладом доменних білків є ферменти гліколітичного циклу окислення глюкози.

4. Четвертинна структура білків – це об'єднання декількох субодиниць (протомерів), що мають первинну, вторинну і третинну структуру, в єдиний комплекс (олігомерний білок). Як правило, олігомерні білки складаються з парної кількості протомерів (2, 4, 6, 8, 10, 12). Окремі протомери в білках з четвертинною структурою зв'язані між собою нековалентними зв'язками. Це створює можливість їх дисоціації при зміні фізико-хімичних умов середовища (рН, іонної сили розчину, тощо). При такій дисоціації білок втрачає специфічну для нього біологічну активність.

Прикладом білка з четвертинною структурою є гемоглобін еритроцитів, який виконує функцію транспортера кисню в організмі людини і вищих тварин. Молекула гемоглобіну складається з чотирьох попарно однакових субодиниць – двох α- і двох β-поліпептидних ланцюгів в третинній глобулярній структурі. Кожна з таких субодиниць сполучена з небілковою структурою – гемом (похідним порфірину, що містить іон заліза Fe²⁺), здатним приєднувать молекулу кисню. Умовна формула гемоглобіну: Hb = α₂β₂.

Складні білки.

Існують класи білків, що є комплексами білкової частини (апобілок, апопротеїн) і небілкової частини. Такі білки називають складними білками. Білки, до складу яких входять тільки поліпептидні ланцюги, утворені залишками амінокислот, називають простими.

Небілкова частина складних білків може бути сполучена з апопротеїном слабкими (нековалентними: водневими, іонними, гідрофобними) чи ковалентними зв'язками. Якщо небілкова частина сполучена з апобілком ковалентними зв'язками, вона називається простетичною групою (наприклад – гем в складі гемоглобіну).

В залежності від хімічної природи небілкової частини (вуглевод, нуклеїнова кислота, ліпід, пігментна сполука, залишок фосфорної кислоти, іон металу) складні білки поділяють на:

- глікопротеїни;

- нуклеопротеїни;

- ліпопротеїни;

- хромопротеїни;

- фосфопротеїни;

- металопротеїни.

Поиск по сайту: