Рівні просторової організації біополімерів

Звичайно при розгляді просторової організації біополімерів виділяють чотири рівні: первинну, вторинну, третинну і четвертинну структуру. Хоча такий поділ значною мірою умовний, він досить корисний для систематизації наших знань про будову біополімерів.

Первинна структура білка-це послідовність розташування амінокислотних залишків у поліпептидному ланцюзі. Первинною структурою називають порядок, у якому мономерні одиниці зв'язані між собою ковалентними зв'язками. На Землі не було, немає і не буде двох людей з цілком однаковим набором білків.

Методи визначення первинної структури білка

1) Роз'єднати поліпептидні ланцюги (порушити ІVcтруктуру) – 8М розчином сечовини.

2) Порушити дисульфідні зв'язки (ІІІ структуру) – окисненням надмурашиною кислотою або відновленням b-меркаптоетанолом, тіогліколевою кислотою.

3) Методом гідролізу визначають амінокислотний склад (розчин хлоридної кислоти або ферментативно).

4) Ферментативні методи часткового гідролізу поліпептидів на маленькі пептиди (фрагменти): Щоб ферменти не забруднювали досліджуваний білок, застосовують нерозчинні препарати ферментів на спеціальних носіях – іммобілізовані ферменти.

Трипсин – має високу специфічність розщеплює пептидний зв¢язок утворений аргініном та лізином.

Пепсин – фенілаланін, тирозин, глютамінова кислота

Хімотрипсин – гідролізує зв¢язки, утворені карбоксильними групами триптофану, фенілаланіну, тирозину, метіоніну. Після цього розділяють окремі пептиди і визначають їх амінокислоти.

5) З'ясовують хімічну природу кінцевих а.к.

Хімічні методи:

N-кінцева: – реакція Сенджера – розчин поліпептиду обробляють 2,4-динітрофторбензеном в лужному середовищі, який приєднується до NH₂– групи N-кінцевої амінокислоти– жовтий колір. Далі гідроліз поліпептиду, хроматографія амінокислот. Тільки амінокислота з ДНФБ жовтого кольору.

– фенілтіогідантоїновий метод Едмана, можна багаторазово використовувати. На білок діють фенілізотіоціанатом. Обробка поліпептида хлоридною кислотою НСl в розчині органічного розчинника призводить до циклізації та звільнення фенілтіогідантоїна N-кінцевої амінокислоти. Цей метод – хімічна основа роботи секвенатору – автоматичного приладу для визначення послідовності амінокислот у поліпептидах. Для ідентифікації фенілтіогідантоїну використовують тонкошарову, газорідинну хроматографію.

С-кінцева амінокислота: використовують метод гідразинолізу NH₂NH₂: молекула білку обробляється гідразином. При цьому С-кінцева амінокислота відщеплюється в незмінному вигляді, а всі інші амінокислоти у вигляді гідразидів 2,4-динітрофторбензену.

Ферментативні методи.

Для визначення N-кінцевої амінокислоти використовують лейцинамінопептидазу, С-кінцевої – панкреатичні карбоксипептидази – розрив поліпептидного ланцюга з С-кінця, хроматографія.

Вторинна структура білка –це просторово упорядкована будова поліпептидних ланцюгів, обумовлена водневими зв'язками між групами С=О і N–Н різних амінокислот. Цей процес відбувається не хаотично, а у відповідності з програмою, що закладена у первинній структурі.

Детально досліджені дві основні конфігураціїa-спіраль (правозакрученої) та b-конформація.

Одним з основних елементів вторинної структури білків єa-спіраль. Це – права спіраль (запропонована Лайнусом Полінгом і Робертом Кору), що містить 3,6 амінокислотні залишки на виток і з періодом повторюваності (кроком)5,4Ǻ або 0,54 нм. Поліпептидний кістяк утворює щільні витки навколо довгої осі молекули, тоді як бічні радикали виступають назовні. Спіраль утримується внутрішньомолекулярними водневими зв'язками між групами N–Н одного пептидного зв'язку і атомом Оксигену групи С=О, що належить іншому пептидному зв'язку, розташованої через чотири амінокислотних залишки над першою в наступному витку спіралі. Період ідентичності, тобто довжина відрізка спіралі, яка повністю повторюється по ходу її становить 2,7 нм і включає 18 залишків амінокислот. Деякі амінокислоти (аланін, валін, лейцин, метіонін, фенілаланін, тирозин, триптофан, гістидин тощо) здатні до утворення a-спіралі, особливо коли вони розміщені поряд у поліпептидному ланцюгу. Інші амінокислоти такі, як лізин, аргінін, гліцин, серин, треонін, аспарагінова і глутамінова кислоти, сприяють дестабілізації a-спіралі. Разом з цим окремі амінокислоти, зокрема пролін і оксипролін, просторово в спіральну структуру не вкладаються. На цих ділянках напрям поліпептидного ланцюга змінюється на 103°, і спіральна структура порушується.

Рис. 3. Вторинна структура білка. α-спіраль

Другим елементом вторинної структури білків єb-конформація. Остов поліпептидного ланцюга в b-конформації виглядає таким чином, що має вже не спіральну, а зиґзаґоподібну, гофровану форму. Вважають, що b-структура може існувати у двох різновидностях. Перша дістала назву антипаралельного складчастого шару. Вона утворена антипаралельними поліпептидними ланцюгами, тобто ланцюгами, N-кінці яких напрямлені в протилежні боки. Друга різновидність b-структури має назву паралельного складчастого шару. Утворюється вона в тому випадку, коли N-кінці поліпептидних ланцюгів напрямле­ні в один бік. Для b-конформації характернi міжланцюгові водневізв'язки між пептидними

Рис. 4.. Вигляд b-структури – складчастий лист, де R-радикали амінокислот

групами сусідніх поліпептидних ланцюгів. Для того, щоб сусідні ділянки білкової послідовності розташувалися в орієнтації, котра сприяє утворенню міжланцюгових водневих зв'язків, між ними має знаходиться неструктурована ділянка, здатна утворити b-вигин. Якщо складчастий ланцюг вигинається робить поворот назад і йде вздовж самого себе назад (антипаралельна b-конформація). Місце повороту – b-вигин.

Вважають, що b-структура може iснувати у двох різновидностях. Перша дістала назву антипаралельного складчастого шару. Вона утворена антипаралельними поліпептидними ланцюгами, тобто ланцюгами, N-кінці яких напрямлені в протилежні боки. Друга різновидність b-структури має назву паралельного складчастого шару. Утворюється вона в тому випадку, коли N-кінці поліпептидних ланцюгів напрямле­ні в один бік. b-Структура характерна для білків опірних тканин – колагену (білок сухожилля, шкіри), фіброїну (білок шовку), окремих видів кератину (білок шерсті, волосся) та ін. У деяких білках можливі переходи від a-спіралі до b-структури і, навпаки, внаслідок перебудови водневих зв'язків. У багатьох білках одночасно зустрічаються a-спіральні ділянки і ділянки b-структури. Таке поєднання даних видів структур характерне в основному для окремих глобулярних білків.

Рис.5. Схематичне зображення b-структур: а-паралельні ланцюги, б-антипаралельні ланцюги.

Рис. 6. Антипаралельна b-структура білка та b-вигін.

b-Структура характерна для білків опірних тканин – колагену (білок сухожилля, шкіри), фіброїну (білок шовку), окремих видів кератину (білок шерсті, волосся) та ін. У деяких білках можливі переходи від a-спіралі до b-структури і, навпаки, внаслідок перебудови водневих зв'язків.Наприклад,a-кератин переходить в b-кератин під час миття волосся кучеряве волосся випрямляється. У багатьох білках одночасно зустрічаються a-спіральні ділянки і ділянки b-структури. Таке поєднання даних видів структур характерне в основному для окремих глобулярних білків.

Отже,a-спіраль та b-структура становлять другий порядок, або рівень, структурної організації молекули білка, тобто вторинну структура, в стабілізації якої важливу роль відіграють водневі зв'язки.

Яку саме конформацію приймають ділянки поліпептидного ланцюга (a-спіраль, b- складку, b-вигин або залишаються неструктурованими) у значній мірі визначається первинною послідовністю поліпептидного ланцюга.

Третинна структура білка– це просторова конформація поліпептиду, що має вторинну структуру, і обумовлена взаємодіями між радикалами.

Усі біологічні властивості білків пов'язані з цілістністю їх третинної структури, яку прийнято називатинативною конформацією. Будь-які порушення нативної конформації призводять до часткової або повної втрати біологічної функції.

Структура біополімерів найтіснішим чином пов'язана з їхньою біологічною функцією. Для того, щоб виконувати «будівельні» опорні функції (волосяний покрив, зміцнення стінок клітини, цитоскелет клітини і т.п.) білок повинен мати витягнуту лінійну структуру і не розчинятися у воді. Такі білки називаються фібрилярними.

Структура фібрилярних білків (колаген, кератин волосся, еластин судин) Що б володіти витягнутою нитковидною структурою, білок має бути високо структурований, тобто мати вторинну структуру (a-спіральної або b-складчастої) на великому проміжку. Крім того, у первинній структурі повинні переважати неполярні амінокислоти. Високий ступінь структурованості фібрилярних білків не дозволяє їм звертатися в компактні структури (глобули) і гідрофобні радикали амінокислотних залишків експоновані у воду, що забезпечує нерозчинність у воді. Найбільш розповсюдженими структурними мотивами фібрилярних білків є навиті одна на іншу a-спіралі (суперспіраль) або антипаралельні b-шари. Окремо стоїть потрійна спіраль колагену – основного білка сполучної тканини.

Поліпептидні ланцюги коллагена побудовані з блоків, що чергуються, GІу-Х-Рго або Gіу-Х-Нур (Нур – оксипролин). Як пролін, так і оксипролін перешкоджають утворенню a-спіралей і b-складок. Потрійна спіраль коллагена принципово відрізняється від a-спіралі, це дуже слабко закручена (один оберт на 1000 А) ліва спіраль.

Структура глобулярних білків. Крім структурних функцій білки виконують різноманітні функції. Серед них одна з головних – каталіз хімічних реакцій, що протікають у клітині. Для здійснення каталітичної (ферментативної)функції білок має зв'язуватися з тривимірним субстратом, тобто місце зв'язування, назване активним центром, повинне бути тривимірним. А це можливо тільки за умови, що сам білок має тривимірну третинну (глобулярну) структуру. Таким чином, відповідність структури і функції, визначає наявність у функціональних білків глобулярної структури. Крім того, глобулярна структура забезпечує розчинність білків у воді (більшість реакцій протікає в цитоплазмі клітини).

Гідрофобні радикали амінокислотних залишків можуть бути заховані усередину глобули, а у воду експоновані направлені гідрофільні залишки. Для забезпечення компактної тривимірної структури білок повинний мати елементи вторинної структури невеликої довжини, з'єднаних неструктурованими ділянками поліпептидного ланцюга. Ці ділянки дозволяють білкові скручуватися в компактну глобулу.

Рис. 7. Глобулярна третинна структура білка міоглобіну.

Третинна структура цілком задається первинною. Визначальними є гідрофобні взаємодії, водневі, дисульфідні, йонні зв¢язки. Гідрофобне ядро існує в більшості білків, гідрофільні групи залишків амінокислот розміщені назовні. Третинна структура є складною, унікальною і специфічною для кожної молекули білка.

Четвертинна структура білка –це агрегація двох або більшого числа поліпептидних ланцюгів, що мають третинну структуру, в олігомерну функціонально значущу композицію. Тобто маємо єдину у структурному та функціональному відношенні одиницю. Білки, що складаються з декількох структурних одиниць називаютьсяолігомерними. Окремі структурні одиниці олігомерного білка називаютьсубодиницями.Взаємне розташування субодиниць, тобто спосіб їхнього спільного укладання й упакування з утворенням нативної конформації олігомерного білка і називаютьчетвертинною структурою.Олігомерний білок може містити дві, три, чотири або більш субодиниць. Іноді зустрічаються олігомери, що складаються з 12 субодиниць. Субодиниці четвертинної структури можуть бути як однаковими, так і різними, розташовуватись у четвертинній структурі як симетрично, так і асиметрично. Зв'язки, що утворюють і підтримують четвертинну структуру, ті ж самі, що і при утворенні третинної структури, крім гідрофобних.

Четвертинну структуру має близько 5% білків, у тому числі гемоглобін, імуноглобулін, інсулін. Майже всі ДНК- і РНК-полімерази мають четвертинну структуру.

КЛАСИФІКАЦІЯ БІЛКІВ

І. ПРОСТІ БІЛКИ –побудовані із залишків амінокислот, при гідролізі дають тільки вільні амінокислоти.

1. Протаміни.Сильно лужні білки з невеликою молекулярною масою 60 – 85% аргінін. Добре розчинні у воді

2. Гістони.Білки з основними властивостями – 20 – 30% лізин та аргінін.

Розташовані переважно у ядрі, стабілізують ДНК.

3. Проламіни – розчинність у 60 – 80% водному розчині етанолу, усі інші прості білки за таких умов випадають в осад. Глутамінова кислота – 20 – 25%, пролін – 10 – 15%.

4. Глютеліни розчинні в лужних розчинах (2%-ий розчин NaOH). Склад: глутамін, лізин.

Білки рослинного походження, складають основну масу клейковини зерен злаків.

5.Альбумінирозчинні у воді та розчинах солей. Молекулярна маса: альбумінів – 40000 – 70000.

6. Глобуліни. Молекулярна маса понад 150000.

Найбільше білків у сироватці (плазмі) крові, молока, яєчному білку, м’язах.

Альбуміни та глобуліни – глобулярні білки.

ІІ. СКЛАДНІ БІЛКИ – це двохкомпонентні білки, які складаються із простого білка та небілкової компоненти, яка називається простетичною групою(prosteto-приєдную)

Класифікація складних білків – за природою простетичної групи:

· хромопротеїни – до їх складу входять пігменти;

· металопротеїни – мають метали;

· нуклеопротеїни – мають нуклеінові кислоти;

· ліпопротеїни – мають ліпіди;

· фосфопротеїни – мають фосфорну групу;

· глікопротеїни – вуглевод.

ФУНКЦІЇ БІЛКІВ.

1. Структурна функція.

Білки, що виконують опорну функцію, займають по кількості перше місце серед інших білків тіла людини. Серед них найважливішу роль відіграють фибрилярні білки, зокрема колаген сполучної тканини, кератин у волоссі, нігтях, шкірі, еластин у стінках судин, і т.п. Білки входять до складу всіх клітинних органел: мембранних – плазмалемма, ядерна оболонка, ендоплазматичний ретикулум (ЕР), комплекс Гольджі, лізосоми, пероксисоми, вакуоль, мітохондрії, пластиди – і немембранних – хромосоми, рибосоми, клітинний центр (центріолі), реснички і джгутики, мікрофіламенти.

2. Каталітична функція.

Ферменти – це біологічні каталізатори. До 1995 р. було ідентифіковано більш ніж 3400 ферментів. Усі ферменти – білки. Ця функція в 1982 році перестала вважатися унікальної. З'ясувалося, що деякі РНК теж мають каталітичну активність. Їх називають рибозимами.

Захисна функція.

Основну функцію захисту в організмі виконує імунна система, котра забезпечує синтез специфічних захисних білків-антитіл у відповідь на надходження в організм бактерій, токсинів, вірусів або чужорідних білків. Антитіла – це білки. Імуноглобуліни «склеюють» антигени й утворюється преципітат. Захисна функція білків проявляється також і у здатності білків плазми крові до згортання (фібриноген).

4. Регуляторна функція.

На клітинному рівні: білки – репрессори і білки – активатори транскрипції.

На рівні організму, регуляція обміну речовин, деякі гормони – білки.

Наприклад, інсулін – гормон підшлункової залози. Регулює перехід глюкози через плазмалему. При недостатній секреції інсуліну розвивається важке захворювання – цукровий діабет.

Соматотропин – гормон росту. Утворюється в передній частці гіпофіза.

Там же утворюється й адренокортикотропний гормон (АКТГ). Він діє на кору наднирок, регулюючи синтез стероїдних гормонів.

5. Трансформація енергії.

Білки сітчатки ока родопсин і ретинон трансформують світлову енергію в електричну. Актино-міозинові комплекси в м'язах перетворюють енергію хімічних зв'язків у механічну.

6. Транспортна функція.

Дихальна функція крові, зокрема перенос кисню. Гемоглобін (білок еритроцитів) здійснює транспорт О₂, СО₂.

Трансферрин – транспорт заліза.

У транспорті ліпідів приймають участь альбуміни сироватки крові.

Системи пермеаз – це мембранні білки, що переносять полярні з'єднання через мембрану як по, так і проти градієнта концентрації.

7. Енергетична функція.

В організмі людини 11 з 20 амінокислот, що входять до складу білків, «згоряють» з виділенням енергії. Це – замінні амінокислоти. Вони можуть бути синтезовані в клітині з продуктів розщеплення вуглеводів і ліпідів.

Поиск по сайту: