Пространственное строение белков и полипептидов

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

"Пермский государственный гуманитарно-педагогический университет"

Кафедра химии

Реферат

на тему: "Пространственное строение белков и полипептидов"

Работу выполнила: студентка 641 группы

естественнонаучного факультета

Дегтянникова Александра Васильевна

Руководитель: доктор фармацевтических наук, профессор

Козьминых Елена Николаевна

Пермь, 2016

Содержание

Введение

1. Строение пептидной группы

2. Уровни структурной организации белковой молекулы

2.1 Первичная структура

2.2 Вторичная структура

2.3 Третичная структура

2.4 Четвертичная структура

Заключение

Введение

Белки - это высокомолекулярные вещества, состоящие из аминокислот, соединенных пептидной связью.

Именно белки являются продуктом генетической информации, передаваемой из поколения в поколение, и осуществляют все процессы жизнедеятельности в клетке.

В целях более полного понимания функций белков целесообразно вначале рассмотреть уровни структурной организации молекул белков. По К. Линденштрем-Лангу выделяют четыре уровня структурной организации белковой молекулы: первичную, вторичную, третичную и четвертичную.

Определяющее значение в формировании более высоких уровней организации белковых молекул имеет их первичная структура. Природа аминокислотных остатков и порядок их соединения обуславливают характер стабилизации более высокоорганизованных структур. При этом существенную роль играет важнейшее звено первичной структуры - пептидная группа.

1. Строение пептидной группы

В пептидной группе связь между карбонильным углеродным атомом и атомом азота, находящимся в sp²-состоянии, называется пептидной (амидной) связью.

В пептидной (амидной) группе - СONH - атом углерода находится в состоянии sp²-гибридизации. Неподеленная пара электронов атома азота вступает в сопряжение с электронами двойной связи С=О. С позиций электронного строения пептидная группа представляет собой трехцентровую сопряженную систему, электронная плотность в которой смещена в сторону более электроотрицательного атома кислорода. Атомы С, О и N, образующие сопряженную систему, находятся в одной плоскости. Распределение электронной плотности в амидной группе можно представить с помощью граничных структур (I) и (II) или смещения электронной плотности в результате +М- и - М-эффектов групп - NH и C=O соответственно (III).

В результате сопряжения происходит некоторое выравнивание длин связей. Двойная связь С=О удлиняется до 0,124 нм против обычной длины 0,121 нм, а связь С-N становится короче - 0,132 нм по сравнению с 0,147 нм в обычном случае (рис. 1).

Рис. 1. Плоскостное расположение пептидной группы - СONH-и - углеродных атомов аминокислотных остатков

Наличие плоской сопряженной системы в пептидной группе является причиной затруднения вращения вокруг связи С - N (барьер вращения составляет 63-84 кДж/моль) Таким образом, электронное строение предопределяет достаточно жесткую плоскую структуру пептидной группы.

Как видно из рис. 1, углеродные атомы аминокислотных остатков располагаются в плоскости пептидной группы по разные стороны от связи С - N, т.е. в более выгодном транс-положении. В этом случае боковые радикалы R аминокислотных остатков будут наиболее удалены друг от друга в пространстве.

Полипептидная связь имеет однотипное строение и может быть представлена в виде ряда расположенных под углом друг к другу плоскостей пептидных групп, соединенных между собой через углеродные атомы C - N и С - С_sp² (рис. 2).

Вращение вокруг этих одинарных связей весьма ограничено вследствие затруднений в пространственном размещении боковых радикалов аминокислотных остатков. Таким образом, электронное и пространственное строение пептидной группы во многом предопределяет структуру полипептидной цепи в целом.

Это определенным образом сказывается также на свойствах полипептидов и белков: по месту пептидных связей легко осуществляется таутомерная перегруппировка, приводящая к образованию енольной формы пептидной связи, которая отличается повышенной реакционной способностью.

Рис. 2. Взаимное расположение плоскостей пептидных групп в полипептидной цепи

2. Уровни структурной организации белковой молекулы

Для белков характерным является наличие нескольких уровней структурной организации.

2.1 Первичная структура

Первичной структурой белка называют последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи. Первичная структура обеспечивается пептидными связями. Пептидная (амидная) связь образуется за счет карбоксильной группы одной аминокислоты и аминогруппы последующей аминокислоты. Полипептидную теорию строения белка разработал в 1902-1919 гг. Э. Фишер (Лауреат Нобелевской премии 1921 г.) и экспериментально доказал, что основным типом связи в молекуле является пептидная (амидная) связь.

Рис. Аланилфенилаланилцистеилпролин

У пептидной связи есть несколько особенностей:

а) она резонансно стабилизирована и поэтому находится практически в одной плоскости - планарна; вращение вокруг связи С-N требует больших затрат энергии и затруднено;

б) у связи -CO-NH- особый характер, она меньше, чем обычная, но больше, чем двойная, то есть существует кето-енольная таутомерия:

в) заместители по отношению к пептидной связи находятся в транс-положении;

г) пептидный остов окружен разнообразными по своей природе боковыми цепями, взаимодействуя с окружающими молекулами растворителя, свободные карбоксильные и аминогруппы ионизируются, образуя катионные и анионные центры молекулы белка. В зависимости от их соотношения белковая молекула получает суммарный положительный или отрицательный заряд, а также характеризуется тем или иным значением рН среды при достижении изоэлектрической точки белка. Радикалы образуют солевые, эфирные, дисульфидные мостики внутри молекулы белка, а также определяют круг реакций, свойственных белкам.

В настоящее время условились считать белками полимеры, состоящие из 100 и более аминокислотных остатков, полипептидами - полимеры, состоящие из 50-100 аминокислотных остатков, низкомолекулярными пептидами - полимеры, состоящие из менее 50 аминокислотных остатков.

Некоторые низкомолекулярные пептиды играют самостоятельную биологическую роль. Примеры некоторых таких пептидов:

Глутатион - г-глу-цис-гли - один из наиболее широко распространенных внутриклеточных пептидов, принимает участие в окислительно-восстановительных процессах в клетках и переносе аминокислот через биологические мембраны.

Карнозин - в-ала-гис - пептид, содержащийся в мышцах животных, устраняет продукты перекисного расщепления липидов, ускоряет процесс распада углеводов в мышцах и в виде фосфата вовлекается в энергетический обмен в мышцах.

Вазопрессин - гормон задней доли гипофиза, участвующий в регуляции водного обмена организма:

Фаллоидин - ядовитый полипептид мухомора, в ничтожных концентрациях вызывает гибель организма вследствие выхода ферментов и ионов калия из клеток:

Грамицидин - антибиотик, действующий на многие грамположительные бактерии, изменяет проницаемость биологических мембран для низкомолекулярных соединений и вызывает гибель клеток:

Мет-энкефалин - тир-гли-гли-фен-мет - пептид, синтезирующийся в нейронах и ослабляющий болевые ощущения.

Из множества белков каждый индивидуальный белок микроорганизмов, растений. Животных и человека, имеет уникальную для данного белка первичную структуру. Все молекулы определенного белка характеризуются одинаковой первичной структурой.

2.2 Вторичная структура

Вторичная структура белка - это пространственная структура полипептидной цепи, т. е. способ упаковки, свертывания, скручивания полипептидного скелета в определенную конформацию в результате свободного вращения вокруг связей полипептидной цепи, соединяющих б - углеродные атомы.

Пептидная цепь содержит множество СО- и NH-групп пептидных связей, каждая из которых потенциально способна участвовать в образовании водородных связей. Существуют два главных типа структур, которые позволяют это осуществить: б-спираль, в которую цепь свертывается как шнур от телефонной трубки, и складчатая в-структура, в которой бок о бок уложены вытянутые участки одной или нескольких цепей. Обе эти структуры весьма стабильны.

б-Спираль характеризуется предельно плотной упаковкой скрученной полипептидной цепи. Все СО- и NH-группы полипептидной цепи связаны между собой водородными связями, расположенными почти параллельно центральной оси. Радикалы направлены всегда наружу и немного назад, то есть в начало полипептидной цепи. Шаг спирали составляет 0.54 нм, расстояние между аминокислотными остатками по оси спирали - 0,15 нм, а угол между ними составляет 100^о. на полный виток спирали приходится 3,6 аминокислотных остатка (360/100=3,6).

Основные характеристики б-спирали:

1) б-спираль стабилизируется водородными связями между атомом водорода при азоте пептидной группы и карбонильным кислородом остатка, отстоящего от данного вдоль цепи на четыре позиции;

2) в образовании водородной связи участвуют все пептидные группы, это обеспечивает максимальную стабильность б-спирали;

3) в образовании водородных связей вовлечены все атомы азота и кислорода пептидных групп, что в значительной мере снижает гидрофильность б-спиральных областей и увеличивает их гидрофобность;

4) б-спираль образуется самопроизвольно и является наиболее устойчивой конформацией полипептидной цепи, отвечающей минимуму свободной энергии;

5) в полипептидной цепи из L-аминокислот правая спираль, обычно обнаруживаемая в белках, намного стабильнее левой.

Возможность образования б-спирали обусловлена первичной структурой белка. Некоторые аминокислоты препятствуют закручиванию пептидного остова. Например, расположенные рядом карбоксильные группы глутамата и аспартата взаимно отталкиваются друг от друга, что препятствует образованию водородных связей в б-спирали. По этой же причине затруднена спирализация цепи в местах близко расположенных друг к другу положительно заряженных остатков лизина и аргинина. Однако наибольшую роль в нарушении б-спирали играет пролин. Во-первых, в пролине атом азота входит в состав жесткого кольца, что препятствует вращению вокруг связи N-C, во-вторых, пролин не образует водородную связь из-за отсутствия водорода при атоме азота.

Л. Полинг и Р. Кори открыли и другой вариант вторичной структуры и назвали его в-складчатым слоем. в-складчатость - это слоистая структура, образуемая водородными связями между линейно расположенными пептидными фрагментами. Обе цепи могут быть независимыми или принадлежать одной молекуле полипептида. Эта структура имеет плоскую форму. Расстояние по оси между аминокислотными остатками составляет 0,35 нм (в б- спирали - 0,15 нм). Особенность структуры состоит в том, что она поддерживается водородными связями между С=О и N-Н группами разных полипептидных цепей или внутримолекулярными водородными связями между различными участками одной и той же полипептидной цепи.

Если цепи ориентированы в одном направлении, то такая в-структура называется параллельной. В случае противоположного направления цепей, то есть когда N-конец одной цепи совпадает с С-концом другой цепи, в-структура называется антипараллельной. Местом поворота называют в - изгибом. Энергетически более предпочтительна и более стабильна антипараллельная в-складчатость с почти линейными водородными мостиками, в этом случае диполи С=О и N-Н оптимально взаимодействуют благодаря коаксильному расположению (т.е. совпадающие оси вращения). Например, фиброин шёлка состоит почти целиком из "штабелей" антипараллельных в-складчатых листов.

Рис. Параллельная в-складчатость антипараллельная в-складчатость

Надвторичная структура белка - это некоторый специфический порядок чередования вторичных структур. Под доменом понимают обособленную часть молекулы белка, обладающую в определенной степени структурной и функциональной автономией. Сейчас домены считают фундаментальными элементами структуры белковых молекул, соотношение и характер компоновки б-спиралей и в-слоев дает для понимания эволюции белковых молекул и филогенетических связей больше, чем сопоставление первичных структур. Главной задачей эволюции является конструирование все новых белков. Бесконечно мал шанс случайно синтезировать такую аминокислотную последовательность, которая бы удовлетворила условиям упаковки и обеспечила выполнение функциональных задач. Поэтому часто встречаются белки с различной функцией, но сходные по структуре настолько, что кажется, что они имели одного общего предка или произошли друг от друга. Похоже, что эволюция, столкнувшись с необходимостью решить определенную задачу, предпочитает не конструировать для этого белки сначала, а приспособить для этого уже хорошо отлаженные структуры, адаптируя их для новых целей.

Некоторые примеры часто повторяющихся надвторичных структур:

1) бб' - белки, содержащие только б-спирали (миоглобин, гемоглобин);

2) вв' - белки, содержащие только в-структуры (иммуноглобулины, супероксиддисмутаза);

3) вбв' - структура в-бочонка, каждый в-слой расположен внутри бочонка и связан с б-спиралью, находящейся на поверхности молекулы (триозофосфоизомераза, лактатдегидрогеназа);

4) "цинковый палец" - фрагмент белка, состоящий из 20 аминокислотных остатков, атом цинка связан с двумя остатками цистеина и двумя гистидина, в результате чего образуется "палец" из примерно 12 аминокислотных остатков, может связываться с регуляторными участками молекулы ДНК;

5) "лейциновая застежка-молния" - взаимодействующие белки имеют б-спиральный участок, содержащий по крайней мере 4 остатка лейцина, они расположены через 6 аминокислот один от другого, то есть находятся на поверхности каждого второго витка и могут образовывать гидрофобные связи с лейциновыми остатками другого белка. С помощью лейциновых застежек, например, молекулы сильноосновных белков гистонов могут объединяться в комплексы, преодолевая положительный заряд.

2.3 Третичная структура

Третичная структура белка - это пространственное расположение молекулы белка, стабилизируемое связями между боковыми радикалами аминокислот. пептидная структура белковая молекула

Типы связей, стабилизирующих третичную структуру белка:

Рис. Электростатическое взаимодействие, водородные, гидрофобные, дисульфидные связи

В зависимости от складывания третичной структуры белки можно классифицировать на два основных типа - фибриллярные и глобулярные.

Фибриллярные белки - нерастворимые в воде длинные нитевидные молекулы, полипептидные цепи которых вытянуты вдоль одной оси. В основном это структурные и сократительные белки. Несколько примеров самых распространенных фибриллярных белков:

1. б-Кератины. Синтезируются клетками эпидермиса. На их долю приходится почти весь сухой вес волос, шерсти, перьев, рогов, ногтей, когтей, игл, чешуи, копыт и черепашьего панциря, а также значительная часть веса наружного слоя кожи. Это целое семейство белков, они сходны по аминокислотному составу, содержат много остатков цистеина и имеют одинаковое пространственное расположение полипептидных цепей. В клетках волос полипептидные цепи кератина сначала организуются в волокна, из которых затем формируются структуры наподобие каната или скрученного кабеля, заполняющего в конце концов все пространство клетки. Клетки волос становятся при этом уплощенными и, наконец, отмирают, а клеточные стенки образуют вокруг каждого волоса трубчатый чехол, называемый кутикулой. В б-кератине полипептидные цепи имеют форму б-спирали, скручены одна вокруг другой в трехжильный кабель с образованием поперечных дисульфидных связей. N-концевые остатки расположены с одной стороны (параллельны). Кератины нерастворимы в воде из-за преобладания в их составе аминокислот с неполярными боковыми радикалами, которые обращены в сторону водной фазы. При химической завивке происходят следующие процессы: вначале путем восстановления тиолами разрушаются дисульфидные мостики, а затем при придании волосам необходимой формы их высушивают нагреванием, при этом за счет окисления кислородом воздуха образуются новые дисульфидные мостики, которые сохраняют форму прически.

2. в-Кератины. К ним относятся фиброин шелка и паутины. Представляют из себя антипараллельные в-складчатые слои с преобладанием глицина, аланина и серина в составе.

3. Коллаген. Самый распространенный белок у высших животных и главный фибриллярный белок соединительных тканей. Коллаген синтезируется в фибробластах и хондроцитах - специализированных клетках соединительной ткани, из которых затем выталкивается. Коллагеновые волокна находятся в коже, сухожилиях, хрящах и костях. Они не растягиваются, по прочности превосходят стальную проволоку, коллагеновые фибриллы характеризуются поперечной исчерченностью. При кипячении в воде волокнистый, нерастворимый и неперевариваемый коллаген превращается в желатин в результате гидролиза некоторых ковалентных связей. Коллаген содержит 35 % глицина, 11 % аланина, 21 % пролина и 4-гидроксипролина (аминокислоты, свойственной только для коллагена и эластина). Такой состав определяет относительно низкую питательную ценность желатина как пищевого белка. Фибриллы коллагена состоят из повторяющихся полипептидных субъединиц, называемых тропоколлагеном. Эти субъединицы уложены вдоль фибриллы в виде параллельных пучков по типу "голова к хвосту". Сдвинутость головок и придает характерную поперечную исчерченность. Пустоты в этой структуре при необходимости могут служить местом отложения кристаллов гидроксиапатита Са₅(ОН)(РО₄)₃, играющего важную роль в минерализации костей.

Тропоколлагеновые субъединицы состоят из трех полипептидных цепей, плотно скрученных в виде трехжильного каната, отличающегося от б- и в-кератинов. В одних коллагенах все три цепи имеют одинаковую аминокислотную последовательность, тогда как в других идентичны только две цепи, а третья отличается от них. Полипептидная цепь тропоколлагена образует левую спираль, на один виток которой приходится только три аминокислотных остатка из-за изгибов цепи, обусловленной пролином и гидроксипролином. Три цепи связаны между собой кроме водородных связей связью ковалентного типа, образующейся между двумя остатками лизина, находящимися в соседних цепях:

По мере того как мы становимся старше, в тропоколлагеновых субъединицах и между ними образуется все большее число поперечных связей, что делает фибриллы коллагена более жесткими и хрупкими, и это изменяет механические свойства хрящей и сухожилий, делает более ломкими кости и понижает прозрачность роговицы глаза.

4. Эластин. Содержится в желтой эластичной ткани связок и эластическом слое соединительной ткани в стенках крупных артерий. Основная субъединица фибрилл эластина - тропоэластин. Эластин богат глицином и аланином, содержит много лизина и мало пролина. Спиральные участки эластина растягиваются при натяжении, но возвращаются при снятии нагрузки к исходной длине. Остатки лизина четырех разных цепей образуют ковалентные связи между собой и позволяют эластину обратимо растягиваться во всех направлениях.

Глобулярные белки - белки, полипептидная цепь которых свернута в компактную глобулу, способны выполнять самые разнообразные функции.

Третичную структуру глобулярных белков удобнее всего рассмотреть на примере миоглобина. Миоглобин - это относительно небольшой кислород-связывающий белок, присутствующий в мышечных клетках. Он запасает связанный кислород и способствует его переносу в митохондрии. В молекуле миоглобина находится одна полипептидная цепь и одна гемогруппа (гем) - комплекс протопорфирина с железом. Основные свойства миоглобина:

а) молекула миоглобина настолько компактна, что внутри нее может уместиться всего 4 молекулы воды;

б) все полярные аминокислотные остатки, за исключением двух, расположены на внешней поверхности молекулы, причем все они находятся в гидратированном состоянии;

в) большая часть гидрофобных аминокислотных остатков расположена внутри молекулы миоглобина и, таким образом, защищена от соприкосновения с водой;

г) каждый из четырех остатков пролина в молекуле миоглобина находится в месте изгиба полипептидной цепи, в других местах изгиба расположены остатки серина, треонина и аспарагина, так как такие аминокислоты препятствуют образованию б-спирали, если находятся друг с другом;

д) плоская гемогруппа лежит в полости (кармане) вблизи поверхности молекулы, атом железа имеет две координационные связи, направленные перпендикулярно плоскости гемма, одна из них связана с остатком гистидина 93, а другая служит для связывания молекулы кислорода.

Начиная с третичной структуры белок становится способным выполнять свойственные ему биологические функции. В основе функционирования белков лежит то, что при укладке третичной структуры на поверхности белка образуются участки, которые могут присоединять к себе другие молекулы, называемые лигандами. Высокая специфичность взаимодействия белка с лигандом обеспечивается комплементарностью структуры активного центра структуре лиганда. Комплементарность - это пространственное и химическое соответствие взаимодействующих поверхностей. Для большей части белков третичная структура - максимальный уровень укладки.

2.4 Четвертичная структура

Четвертичная структура белка - характерна для белков, состоящих из двух и более полипептидных цепей, связанных между собой исключительно нековалентными связями, в основном электростатическими и водородными. Чаще всего белки содержат две или четыре субъединицы, более четырех субъединиц обычно содержат регуляторные белки.

Белки, имеющие четвертичную структуру, часто называются олигомерными. Различают гомомерные и гетеромерные белки. К гомо-мерным относятся белки, у которых все субъединицы имеют одинаковое строение, например, фермент каталаза состоит их четырех абсолютно одинаковых субъединиц. Гетеромерные белки имеют разные субъединицы, например, фермент РНК-полимераза состоит из пяти разных по строению субъединиц, выполняющих разные функции. Взаимодействие одной субъединицы со специфическим лигандом вызывает конформационные изменения всего олигомерного белка и изменяет сродство других субъединиц к лигандам, это свойство лежит в основе способности олигомерных белков к аллостерической регуляции. Четвертичную структуру белка можно рассмотреть на примере гемоглобина. Содержит четыре полипептидных цепи и четыре простетические группы гема, в которых атомы железа находятся в закисной форме Fe²⁺. Белковая часть молекулы - глобин - состоит из двух б-цепей и двух в-цепей, содержащих до 70 % б-спиралей. Каждая из четырех цепей имеет характерную для нее третичную структуру, с каждой цепью связана одна гемогруппа. Гемы разных цепей сравнительно далеко расположены друг от друга и имеют разный угол наклона. Между двумя б-цепями и двумя в-цепями образуется мало прямых контактов, тогда как между б- и в-цепями возникают многочисленные контакты типа б₁в₁ и б₂в₂, образованные гидрофобными радикалами. Между б₁в₁ и б₂в₂ остается канал.

В отличие от миоглобина гемоглобин характеризуется значительно более низким сродством к кислороду, что позволяет ему при существующих в тканях низких парциальных давлениях кислорода отдавать им значительную часть связанного кислорода. Кислород легче связывается железом гемоглобина при более высоких значениях рН и низкой концентрации СО ₂, свойственные альвеолам легких; освобождению кислорода из гемоглобина благоприятствуют более низкие значения рН и высокие концентрации СО₂, свойственные тканям.

Кроме кислорода гемоглобин переносит ионы водорода, которые связываются с остатками гистидина в цепях. Также гемоглобин переносит углекислый газ, который присоединяет к концевой аминогруппе каждой из четырех полипептидных цепей, в результате чего образуется карбаминогемоглобин:

В эритроцитах в достаточно больших концентрациях присутствует вещество 2,3-дифосфоглицерат (ДФГ), его содержание увеличивается при подъеме на большую высоту и при гипоксии, облегчая высвобождение кислорода из гемоглобина в тканях. ДФГ располагается в канале между б₁в₁ и б₂в₂, взаимодействуя с положительно зараженными группами в-цепей. При связывании гемоглобином кислорода ДФГ вытесняется из полости. В эритроцитах некоторых птиц содержится не ДФГ, а инозитолгекса-фосфат, который еще больше снижает сродство гемоглобина к кислороду.

Рис. 2,3-дифосфоглицерат (ДФГ)

HbA - нормальный гемоглобин взрослого человека, HbF - фетальный гемоглобин, имеет большее сродство к О₂, HbS - гемоглобин при серповидноклеточной анемии. Серповидноклеточная анемия - это серьезное наследственное заболевание, связанное с генетической аномалией гемоглобина. В крови больных людей наблюдается необычно большое количество тонких серповидных эритроцитов, которые, во-первых, легко разрываются, во-вторых, закупоривают кровеносные капилляры. На молекулярном уровне гемоглобин S отличается от гемоглобина А по одному аминокислотному остатку в положении 6 в-цепей, где вместо остатка глутаминовой кислоты находится валин. Таким образом, гемоглобин S содержит на два отрицательных заряда меньше, появление валина приводит к возникновению "липкого" гидрофобного контакта на поверхности молекулы, в результате при дезоксигенации молекулы дезоксигемоглобина S слипаются и образуют нерастворимые аномально длинные нитевидные агрегаты, приводящие к деформации эритроцитов.

Заключение

Нет никаких оснований думать, что существует независимый генетический контроль за формированием уровней структурной организации белка выше первичного, поскольку первичная структура определяет и вторичную, и третичную, и четвертичную (если она имеется). Нативной конформацией белка является термодинамически наиболее устойчивая в данных условиях структура.

Размещено на Allbest.ru