ТЕМА 3. ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТРУКТУРА БЕЛКОВ

 

Ковалентный скелет белков состоит из сотен индивидуальных связей. Если было бы возможно свободное вращение вокруг даже части этих связей, белки имели бы почти безграничное число трехмерных структур. Однако каждый белок имеет специфическую функцию, что предполагает для него уникальную пространственную структуру. Тот факт, что белки кристаллизуются, дает убедительное доказательство наличия таких структур. Строгий молекулярный порядок в кристалле может быть реализован в том случае, если все молекулы имеют идентичную форму в кристалле. Фермент уреаза с ММ 483кДа был среди первых закристаллизованных белков.

Пространственное расположение атомов в молекуле белка называют его конформацией. Изменения конформации встречаются при вращении вокруг одинарных связей без их разрушения. В белках реализуются четыре уровня архитектуры.

Первичная структура связана с ковалентными связями между аминокислотными остатками (аминокислотная последовательность). Относительное пространственное расположение связанных аминокислот не является специфичным. Полипептидные цепи не могут иметь любые пространственные структуры по выбору. Стерические ограничения, а также множество слабых невалентных взаимодействий приводят к тому, что отдельные пространственные формы более устойчивы чем остальные.

Вторичная структура относится к регулярным расположениям соседних аминокислотных остатков в полипептидной цепи (регулярные конформации). Для вторичной структуры полипептидных цепей наиболее характерны a- спираль и b- конформация.

Третичная структура относится к пространственному расположению всех аминокислот полипептида. Связь между вторичной и третичной структурой в настоящее время не достаточно ясна. Несколько различных типов вторичной структуры часто обнаруживаются в третичной структуре большого белка.

Белки с несколькими пептидными цепями имеют еще один более высокий уровень организации: четвертичную структуру, которая относится к пространственному расположению полипептидных цепей или субъединиц в белке. Можно выделить промежуточные уровни между вторичной и третичной структурой. Устойчивый кластер из нескольких элементов вторичной структуры относят к супервторичной структуре. Еще более высокий уровень структуры представляет домен. Его относят к компактной структуре, включающей возможно от 40 до 400 аминокислот, домен представляет отчетливую единицу в большой полипептидной цепи. Многие домены складываются независимо в термодинамически устойчивые структуры. Большая полипептидная цепь может содержать несколько доменов, которые легко различимы. В некоторых случаях индивидуальные домены имеют отдельные функции.

Конформация белка стабилизируется большим числом слабых невалентных взаимодействий. Устойчивость нативной конформации белка невелика, так разность в свободной энергии сложенных и несложенных состояний в типичных белках в физиологических условиях находится в интервале от 20 до 65 кДж/моль. Энтропия и водородное связывание многих групп полипептидной цепи с растворителем (водой) приводят к раскрытым формам. К складчатым формам приводят химические взаимодействия в виде дисульфидных мостиков, а также невалентные взаимодействия: водородные связи, гидрофобные, ионные и ван-дер-ваальсовы взаимодействия.

Наиболее общей вторичной структурой белков является a-спираль. В этой структуре полипептидный остов закручен относительно длинный оси молекулы, а R-группы аминокислотных остатков расположены с внешней стороны спирали. Шаг спирали составляет 0.56 нм. Вторым типом регулярной структуры в белках является b-конформация, которая способствует укладыванию полипептидных цепей в слои, при этом возможно как параллельное, так и антипараллельное расположение цепей. В некоторых белках (например в коллагене) помимо этих регулярных конформаций встречаются и другие типы вторичной структуры: b-складка и b-виток. Хотя фибриллярные белки имеют только один тип вторичной структуры, глобулярные белки могут включать несколько типов вторичной структуры для одной молекулы. Глобулярные белки, включая ферменты, транспортные белки, некоторые гормоны и иммуноглобулины, образуют складчатые структуры, более компактные чем a- и b- конформации.

Третичная структура представляет трехмерное расположение всех атомов в белке, она имеет дело с дальнодействующими взаимодействиями аминокислотных остатков. Свиной альбумин имеет 584 остатка в одной цепи.

Ниже показаны относительные размеры цепи в b-конформации, в форме a-спирали и нативной глобулярной форме.

 

 

 

b - конформация: 200 х 0.5 нм

 

 

a - спираль: 90 х 1.1 нм нативная глобулярная форма: 13х3 нм

 

 

Пространственное расположение атомов в кристаллической решетке белка определяют методом рентгеноструктурного анализа исходя из углов и интенсивности дифракций от электронных оболочек атомов. К настоящему времени этим методом установлены третичные структуры сотен глобулярных белков (миоглобин, инсулин, цитохром с, лизоцим, рибонуклеаза и т.д.).

 

Доля a-спиралей и b-форм в некоторых белках.

 

Белок ( число остатков )	Остатки, %
a-спираль	b-форма
Миоглобин (153)
Цитохром с (104)
Лизоцим (129)
Рибонуклеаза (124)
Химотрипсин (247)
Карбоксипептидаза (307)

 

Белки могут денатурировать при нагревании, резком изменении рН, обработке органическими растворителями, солями тяжелых металлов с разрушением третичной структуры и потерей функциональной активности.

Третичные структуры не являются жесткими, в процессе синтеза белка они формируются достаточно быстро, не случайным образом. Существует несколько типов третичных структур достаточно общих для многих белков (a/b баррел, b-b сэндвич и другие).

Некоторые белки содержат две и более отдельные пептидные цепи, которые могут быть идентичны или различны по структуре. Пространственное расположение белков и его субъединиц в трехмерном комплексе представляет четвертичную структуру, которую определяют на практике методом рентгеноструктурного анализа монокристалла белка. Таким образом установлена четвертичная структура гемоглобина, который содержит четыре полипептидные цепи и четыре гемпростетические группы.

Некоторые белки образуют надмолекулярные комплексы, которые сохраняют принципы, присущие всем уровням организаций белков. Из этих надмолекулярных комплексов построены биологические машины, осуществляющие функционирование клетки (сокращение мышц, синтез белков в рибосомах, упаковка ДНК, перемещение органелл и т.д.).

 

Вопросы для самоконтроля

1. Свойства пептидной связи.

2. Влияние рН на конформационную структуру белков.

3. Роль дисульфидных связей.

4. Чем определяется термическая устойчивость нативной структуры белков?

5. Локализация специфических аминокислот на поверхности глобулярных белков.

6. Чем определяется молекулярная масса гемоглобина?

 

Тестовые вопросы

1. Перечислите основные уровни организации белковой молекулы? И приведите конкретные примеры.

а) 4 уровня;

б) 5 уровней;

в) 6 уровней;

г) 1 уровень.

2. Какие вещества являются мономерами белков?

а) аминокилоты;

б) углеводы;

в) жиры;

г) витамины.

3. Какую функцию выполняют транспортные белки?

а) переносят аминокислоты, молекулы, ионы;

б) питательную функцию;

в) защитную;

г) структурную.

4. И.Э.Т. белка рН – 4, 8. Какие аминокилоты преобладают в составе?

а) моноаминомонокарбоновые;

б) диаминомонокарбоновые;

в) моноаминодикарбоновые.

5. Какие виды гидролиза белка известны?

а) кислотные;

б) щелочной;

в) ферментативный.

 

ТЕМА 4. ВВЕДЕНИЕ В ФЕРМЕНТЫ

 

Ферменты есть катализаторы реакций в биологических системах. Они обладают чрезвычайно высокой каталитической активностью, они имеют высокую специфичность к своим субстратам, они ускоряют строго определенные химические реакции, они функционируют в водных растворах в мягких условиях температуры и рН. Ферменты - это один из ключей понимания функционирования и размножения клеток. Действуя в организованных последовательностях, они катализируют последовательно сотни реакций по пути метаболизма, при этом молекулы питательных веществ деградируют, накапливается химическая энергия, она трансформируется в другие формы, из простых молекул синтезируются биологические макромолекулы. Некоторые из этого множества ферментов, принимающих участие в метаболизме, служат регуляторными ферментами, которые дают ответ на различные сигналы метаболизма, изменяя соответственно свою каталитическую активность. Благодаря действию регуляторных ферментов, энзиматические системы высоко скоординированы и приводят к гармоничному взаимодействию множества метаболических процессов, необходимых для поддержания Жизни. Изучение ферментов также имеет исключительную практическую значимость. Некоторые заболевания, особенно наследственные генетические расстройства, приводят к дефициту или полному отсутствию одного или нескольких ферментов в органах и тканях. Неестественные условия функционирования также могут вызвать исключительную активность какого-то специфичного фермента. Измерения активности определенных ферментов в плазме крови, эритроцитах, в образцах тканей позволяют диагностировать заболевания. Ферменты стали важными инструментами не только в медицине, но и в химической промышленности, при производстве продуктов питания, в сельском хозяйстве. Мы сталкиваемся с ферментами в каждодневной жизни, будь то приготовление пищи, чистка одежды, уборка помещения.

История биохимии в значительной части связана с историей изучения ферментов. Биологический катализ был открыт в начале 18 века. В 1850г. Луи Пастер пришел к заключению, что превращение сахара в спирт под действием дрожжей катализируется ферментами. Он постулировал, что эти ферменты, названные позже энзимами, неотделимы от структуры дрожжевых клеток, эта точка зрения превалировала в научном мире в течение многих лет. В 1897г. Эдвард Бюхнер открыл способность дрожжевых экстрактов преобразовывать сахар в спирт, т.е. ферменты без потери активности могут быть отделены от живых клеток. С этого момента биохимиками выделены и очищены многие тысячи различных ферментов, исследованы их каталитические свойства.

Большинство ферментов, за исключением небольшой группы молекул каталитических РНК, представляют собой белки. Их каталитическая активность зависит от целостности их нативной структуры. Если фермент денатурирует или диссоциирует на субъединицы, каталитическая активность теряется. Разрушение фермента до аминокислот, также сопровождается потерей каталитической активности. Таким образом первичная, вторичная, третичная и четвертичная структуры белковых ферментов существенны для их каталитической активности.

Ферменты имеют молекулярные массы в диапазоне от 12 тысяч до 1 миллиона Дальтон. Некоторые ферменты для проявления своей активности не требуют иных химических групп, представленных аминокислотными остатками. Другие требуют дополнительный химический компонент, называемый кофактором. Кофакторами могут выступать один или более неорганических ионов, таких как Fe⁺², Mg⁺², Mn⁺², Zn⁺², или комплексная органическая или металлорганическая молекула, называемая коферментом. Некоторые ферменты требуют для проявления активности наряду с коферментом одного или более ионов металла. Кофермент или ион металла ковалентносвязанные с белковой молекулой фермента, называется простетической группой. Полностью каталитически активный фермент совместно с коферментом и/или ионами металла называется холоферментом. Белковая часть такого фермента носит название апофермента или апопротеина. Коферменты функционируют как непрерывные переносчики определенных функциональных групп.

Многие витамины, органические продукты питания, требуемые в малых количествах в диете, являются предшественниками коферментов.

Ферменты классифицируются в соответствии с реакциями, которые они катализируют. Их называют путем добавления суффикса " аза" к названию их субстрата или слову или фразе, описывающих их активность. Так, уреаза катализирует гидролиз мочевины, а ДНК-полимераза катализирует синтез ДНК. Есть ферменты, такие как пепсин и трипсин, которые в названиях не отражают своих субстратов. Некоторые ферменты имеют два и более наименования. Поэтому существует международное соглашение по классификации ферментов.

Каждый фермент имеет четырех цифровой классификационный номер и систематическое название, которое идентифицирует катализируемую реакцию.

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: