Физика белков

рис.1.3(б) Вторичная структура белка: альфа-спираль

Другая форма спирали присутствует в коллагене, важнейшем компоненте соединительных тканей. Это левая спираль коллагена с шагом 0,96 нм и при остатке в 3,3 в каждом витке более пологая по сравнению с б-спиралью. В отличие от б-спирали образование водородных мостиков здесь невозможно. Структура стабилизирована за счет скручивания трех пептидных цепей в правую тройную спираль. Наряду с б-спиралями в образовании вторичной структуры белка принимают также участие в-структуры, в-изгиб. В отличие от конденсированной б-спирали в-слои почти полностью вытянуты и могут располагаться как параллельно, так и антипараллельно. B складчатых структурах также образуются поперечные межцепочечные водородные связи .Если цепи ориентированы в противоположных направлениях, структура называется антипараллельным складчатым листом (вб); если цепи ориентированы в одном направлении, структура называется параллельным складчатым листом (вn). В складчатых структурах б-С-атомы располагаются на перегибах, а боковые цепи ориентированы почти перпендикулярно средней плоскости листа, попеременно вверх и вниз.

Энергетически предпочтительной оказывается вб-складчатая структура с почти линейными H-мостиками. В растянутых складчатых листах отдельные цепи чаще всего не параллельны, а несколько изогнуты относительно друг друга.

Рис. 1.4 Бета-складчатая структура белка

Кроме регулярных в полипептидных цепях есть еще и нерегулярные вторичные структуры, т.е. стандартные структуры, не образующие длинных периодических систем. Это - в-изгибы они называются так потому, что часто стягивают верхушки соседних в-тяжей в антипараллельных в-шпильках). В изгибы обычно входит около половины остатков, не опавших в регулярные структуры белков.

Супервторичная структура ? это более высокий уровень организации белковой молекулы, представленный ансамблем взаимодействующих между собой вторичных структур:

1. б-спираль ? два антипараллельных участка, которые взаимодействуют гидрофобными комплементарными поверхностями (по принципу «впадина-выступ»);

2. сверхспирализация б-спирали;

3. вхв ? два параллельных участка в-цепи;

4. в-зигзаг.

Встречаются разнообразные способы укладки белковой цепи:

рис.1.5 Способы укладки белковой цепи

Домен - компактная глобулярная структурная единица внутри полипептидной цепи. Домены могут выполнять разные функции и подвергаться свертыванию в независимые компактные глобулярные структурные единицы, соединенные между собой гибкими участками внутри белковой молекулы.

Рис. 1.6 Мотивы укладки белковой цепи и орнаменты на индейских и греческих вазах. Вверху: мотив меандра; в середине: мотив греческого ключа; внизу: мотив зигзага-"молнии" .[1]

3.Вторичная структура белков: конформации полипептидной цепи

Для понимания структуры белка необходимо рассмотреть возможные конформации полипептидной цепи.Они определяются ,прежде всего, плоским строение пептидной связи -СО - NН- .Структурные параметры пептидных единиц,установленные в результате рентгенографического исследования пептидов и родственных им соединений,представлен в табл.

Таблица 1. Структурные параметры пептидных единиц: длины связей и углы между ними X и Y -атомы,с которыми связан углерод как в основной цепи,так и при привеске радикалов.

Полностью вытянутая цепь(без деформации валентных углов и изменений длин связей) имеет транс конформацию с нулевыми значениями углов поворота.Однако такая конформация не является наиболее стабильной. Атомы иминных групп N-H образуют водородные связи с атомами кислорода карбонильных групп.Нахождение наиболее устойчивой конформации требуетминимизации ее полной энергии,включая энергию внутримолекулярных водородных связей.

Полинг и Кори определили наиболее устойчивые конформации полипептидной цепи,основываясь на данных рентгеноструктурных исследований и рассмотрении полной упаковки цепей с максимальным числом водородных связей. Таких конформаций три.Это, во-первых,уже известная б-спираль. Она характеризуется поворотом вокруг оси на 54 нм.

Водородные связи образованны между С=О группой данной группы и N-Н группой четвертой предшествующей единицы. Такие связи реализуются между всеми аминокислотными остатками, за исключением пролила (Про), не содержащего N-Н группы. Б-спираль может быть и правой и левой. В первом случае углы =132?? и =123?? ,во втором =228 ?? и =237 ?? соответственно.

Вторая и третья конформации с максимальным насыщением водородных связей - параллельная и антипараллельная в-формы.Это конформация уже не отдельной цепи, а совокупности цепей, образующих слоистую структуру. Цепи в такой форме не имеют плоского транс-строения. В параллельной форме углы 61? и 239? соответственно, в антипараллельной - 380? и 325?.

Очень важна возможность образования бета-формы и в отдельной полипептидной цепи. Это так называемые кросс-бета-формы. В местах изгибов углы поворотов имеют значения, отличные от свойственным упорядоченным участкам.

Рис. 1.7 Регулярные вторичные структуры - альфа-спираль, пераллельный бета-лист, антипараллельный бета-лист

Таким образом, водородные связи стабилизируют конформации полипептидной цепи в растворе. Наличие вторичной структуры, имеющей периодичность, означает сходство цепи с кристаллом: альфа-спираль подобна одномерному, бета-форма - двумерному кристаллу.

Рис. 1.8 Вспомогательные взаимодействия: водородные связи

Альфа- и бета-формы, в частности, не единственные. Например, фибриллярные белки обладают другими конформациями.

Рассмотрим теперь зависимости энергий полипептидной цепи от углов внутреннего вращения - так называемые стерические карты, подобные геодезическим.

Конформационная энергия цепи определяется слабым взаимодействием валентно не связанных атомов. Вследствие плоского строения пептидной группы углы поворота i-го звена практически не зависят от углов поворота соседних звеньев. И если углы поворота i-го звена варьируют в области значений, не запрещенных перекрыванием атомов пептидных групп, соединенных связями i-го и (i+1)-го звеньев, и если одновременно варьируют углы (i+1), то не существует такой комбинации этих четырех углов, при которой возможно стерическое взаимодействие i-го и (i+2)-го звена. Тем самым полипептидная цепь имеет ограниченную кооперативность, ближние взаимодействия в ней ограничены ближними соседями. Это позволяет рассматривать порознь конформационные энергии для отдельных конформационных остатков. Стерическая карта для данного остатка существенно зависит от природы его радикала R.

Можно считать, что взаимодействия в данной паре пептидных групп характеризуют аминокислотный остаток, соединяющий эти группы, Рамачардан исследовал дипептид Глицил-L-аланин и получил конформационную (стерическую карту для аланина).

Рис. 1.9 Двумерное распределение плотности вероятности по торсионным углам.

Наиболее часто посещаемые области имеют более темный цвет. Для аминокислотных остатков чаще всего рассматривают двумерные распределения по торсионным углам ш,ц,? .Среди возможных вариантов двумерных распределений обычно уделяют особое внимание сечению по углам ш,ц.

Рис. 2.1 Карта Рамачандрана для аминокислотного остатка.

Конформации, которые могут быть достигнуты любым амтнокислотным остатком, представлены темно-серым цветом. Большинство аминкислот может заселять области, обозначенные светло-серым цветом. Белым обозначены запрещенные конформации, которые, тем не менее, могут встречаться в некоторых белковых структурах.

Расчет проводился на основе простейшего предположения об атомах как твердых сферах, имеющих ван-дер-ваальсовые радиусы, определяемые из данных по межатомным расстояниям в молекулярных кристаллах. В таблице приведены эти расстояния, чаще всего наблюдаемые в кристаллах, и минимальные расстояния, наблюдаемые лишь в немногих случаях. [3]

Таблица 2. Контактные расстояния между атомами в полипептидах

4.Третичная структура белков. Типы нековалентных связей, стабилизирующих третичную структуру. Роль S--S--мостиков в формировании третичной структуры некоторых белков

Под третичной структурой понимают пространственное расположение полипептидной цепи (способ укладки цепи в определенном объеме). В стабилизации пространственной структуры основную роль играют нековалентные связи. К ним относятся водородные связи, электростатические взаимодействия заряженных групп, межмолекулярные ван-дер-ваальсовы силы, взаимодействия неполярных боковых радикалов аминокислот (гидрофобные взаимодействия), диполь-дипольные взаимодействия. Кроме того, важную роль в формировании третичной структуры играют дисульфидные связи (S-S-мостики):

Рис. 2.2 (а) Образование дисульфидных связей

Рис. 2.2 (б) Образование дисульфидных связей

Дисульфидные связи образуются при окислении сближенных в пространственной структуре белка остатков цистеина в остатки цистина. Считают, что дисульфидные связи, часто множественные, особенно важны для стабилизации маленьких белков, в которых не может возникнуть обширной системы нековалентных взаимодействий.

Третичная структура - уникальное для каждого белка расположение в пространстве полипептидной цепи, зависящее от количества и чередования аминокислот, т.е. предопределенное первичной структурой белка. Конфигурация белковых молекул может быть фибриллярной и глобулярной. Третичная структура многих белков составляется из нескольких компактных глобул, называемых доменами. Между собой домены обычно бывают связаны тонкими перемычками.[1]

Третичная структура белков. Гемоглобин и миоглобин: конформационные перестройки. Известно, что нативная, трехмерная структура белка устанавливается в результате действия целого ряда энергетических и энтропийных факторов. Характерные времена многих внутримолекулярных изменений, в том числе и ферментативных процессов тысячных долей секунды и зависят от pH, температуры и ионного состава среды. Таким образом, изменения ионного гомеостаза могут непосредственно влиять на структурные изменения в клеточных белках и ,соответственно, на их функции и активность. Рассмотрим в качестве примера конформационные перестройки белков,переносящих кислород,-гемоглобина и миоглобина. Строение этих белков, находящихся в кристалической форме, детально изучено методом рентгеноструктурного анализа. Пространство между альфа-спиральными участками,в том числе полость активного центра гемовой группы внутри молекул белка, заполнено гидрофобными боковыми цепями аминокислот, а в окружающую водную среду выступает множество полярных белковых цепей. Молекула гемоглобина состоит из четырех субъединиц (две б и две в), образующих правильный тетрамер. Молекулы воды, локализованные в области контактов субъединиц,образуют солевые мостики и дополнительно стабилизируют тетрамер. Железо может находиться в высоко- и низкоспиновом состоянии в зависимости от способа заполнения d-орбитали электронами,который определяется правилом Хунда. В связи с этим заполнение электронами внешних d-орбиталей ионов двух- и трехвалентного железа характерно для свободных ионов или ионов в составе соединений с ионной связью. Ситуация меняется,когда атомы железа находятся в комплексе, где связаны с лигандными атомами ковалентной связью и входят в состав гема. Следует подчеркнуть,что спиновое состояние центрального атома в комплексе определяется характером лигандного окружения:симметрией,силой связывания лигандов в комплексе и т.д. В силу этого изменения в лигандном окружении могут приводить к изменениям в спиновом состоянии иона металла,что в свою очередь может вызвать изменения конформации белка с которым связан ион металла. Изменения спинового состояния ионов железа, индуцированные присоединением субстратов,сменой температуры,были продемонстрированны для ряда гемопротеинов. Переход иона железа из низкоспинового состояния в высокоспиновое увеличивет диаметр иона и приводит к выводу его из плоскости гема,что и обуславливает конформационные изменения в близжайшем белковом “окружении”.

В высокоспиновом состоянии ион двухвалентного железа обладает координационным числом 5 и расположен вне плоскостии гема на расстоянии 0,05-0,07 нм.Он координационно связан с четырьмя атомами азотапиррольных групп плоскогопорфиринового кольца,а в 5-м положении взаимодействует с атомом N имидазольного кольца гистидина. Оксигепация и образование связи кислород-железо не меняет валентности атома железа, но переводят его из высокоспинового состояния в низкоспиновое, увеличивая число лигандов в координационной сфере до 6.В 6-ом положении железо координируется с кислородом или другими лигандами.

Рис. 2.3 (а) Упрощенная схема строения гемоглобина

Присоединение кислорода индуцирует ряд конформационных изменений в молекуле гемоглобина.Связывание кислорода с переводом атома железа в низкоспиновое состояние сопровождается одновременным смещением железа на 0,07 нм в плоскость гемовой группы.Это смещение передается через гистидин,и спираль вместе с ним “подтягивается” в сторону гема к центру молекулы ,выталкивая из полости остаток тирозина.Затем происходит поэтапный разрыв солевых мостиков между б-субъединицами и смещение их вдоль области контакта. Расстояние между гемом и б-субъединицами увеличивается, а между гемом и в-субъединицами, наоборот, сокращается. Центральная полость гема при этом сжимается. Разрыв четырех солевых мостиков из шести при оксигенации первых двух б-субъединиц способствует разрыву двух остальных мостиков и, следовательно, облегчает соединение следующих молекул кислорода с остальными субъединицами, увеличивая сродство их к кислороду в несколько сотен раз. В этом и состоит кооперативный характер присоединения кислорода к гемоглобину, при котором начало оксигенации последнего облегчает связывание остальных молекул кислорода.

Использование лазерного излучения с длиной волны поглощения в диапазоне в-полосы порфиринаи вблизи нее позволяет регистрировать спектры РКР протопорфиринов в целых клетках(эритроцитах).В этих спектрах доминируют линии, лежащие в области 1000-1650/см, которые обусловлены плоскостными колебаниями связей С-С и С-N и деформационным колебаниям С-Н. Некоторые из них подвержены влиянию химических превращений, происходящих с атомом железа, и могут быть использованы для изучения структуры макроцикла. При изменении состояния окисления атома железа от трехвалентного до двухвалентного наблюдается снижение частоты скелетных колебаний порфирина. Положение этой и других характерных полос спектра РКР отражает заселенность электронами р-орбиталей порфирина. С ее увеличением связи в порфирине становятся менее прочными, что выражается в снижении частоты колебаний. Заселенность этих орбиталей возрастает за счет обратного перехода электронов с р-орбиталей атома железа. Поскольку процесс сильнее выражен для для двухвалентного железа, полосы, характеризующие состояние окисления, сдвинуты в область более низких частот для гемом именно с таким железом. При таком подходе любой эффект (в том числе изменение состояния окисленности атомов железа), который вызывает изменения в распределении электронов в порфирине, может повлиять на частоту соответствующих характеристических линий. Эта частота сильно меняется, например, если аксиальный лиганд, имеющий р-орбиталь, может взаимодействовать с орбиталями порфиринов через dр-электроны атома железа. Аксиальный р-электронный донор приводит к дополнительному переходу dр-электронов атома железа на р-орбитали порфирина и вызывает снижение частоты полос, характеризующих состояние окисления до нетипичных величин.[2]

Рис. 2.3(б) Модель третичной структуры молекулы миоглобина (по Дж. Кендрью). Латинскими буквами обозначены структурные домены, красным цветом - гем

Рис.1.7(в) степень насыщения кислородом миоглобина и гемоглобина

При свертывании белковой глобулы значительная часть (не менее половины) гидрофобных радикалов аминокислотных остатков оказывается скрытой от контакта с окружающей белок водой. Происходит образование своеобразных внутримолекулярных «гидрофобных ядер». В них особенно представлены объемные остатки лейцина, изолейцина, фенилаланина, валина.

С появлением третичной структуры у белка появляются новые свойства - биологические. В частности, проявление каталитических свойств связано с наличием у белка третичной структуры. И наоборот, нагревание белков, приводящее к разрушению третичной структуры (денатурация), приводит и к утрате биологических свойств.

5.Четвертичная структура белков. Количество и типы субъединиц, взаимодействия между субъединицами, стабилизирующие четвертичную структуру. Функциональное значение четвертичной структуры белков

Четвертичная структура ? это надмолекулярное образование, состоящее из двух и более полипептидных цепей, связанных между собой нековалентно, а водородными связями, электростатическими, дипольдипольные и гидрофобными взаимодействиями между остатками аминокислот, находящихся на поверхности. Примером может служить молекула гемоглобина, вирус табачной мозаики (2130 субъединиц).

Каждый из белков-участников третичной структуры при образовании четвертичной структуры называют субъединицей или протомером. Образовавшуюся молекулу называют олигомером, или мультимером. Олигомерные белки чаще построены из четного количества протомеров с одинаковыми или разными молекулярными массами. В образовании четвертичной структуры белка принимают участие те же связи, что и при образовании третичной структуры, за исключением ковалентных.

Объединение белковых молекул третичной структуры без появления новых биологических свойств называют агрегированным состоянием. Как четвертичная структура, так и агрегированное состояние могут быть обратимо разрушены с применением детергентов, в частности, додецилсульфата натрия или неионных детергентов типа тритона. Очень часто для разрушения четвертичной структуры исследуемый белок нагревают при 100°С в присутствии 1%-ного 2-меркаптоэтанола и 2%-ного додецилсульфата натрия. В таких условиях восстанавливаются -S-S-связи между остатками Cys, которые в некоторых случаях удерживают субъединицычетвертичной структуры. Субъединицы, образующие четвертичную структуру белка, могут быть различными как по строению, так и по функциональным свойствам (гетеромеры). Это позволяет объединить в одной структуре несколько взаимосвязанных функций, создать полифункциональную молекулу. Например, в протеинкиназе , стехиометрия червертичной структуры которой отвечает формуле С2R2, субъединица С ответственна за ферментативную активность, осуществляя перенос фосфатного остатка от АТР на белок; субъединица R является регуляторной. В отсутствие циклического АМР последняя связана с С-субъединицей и ингибирует ее. При образовании комплекса с сАМР четвертичная структура распадается и С-субъединицы оказываются способными фосфорилировать белковые субстраты. В гомомерных белках субъединицы одинаковы.

Подавляющая часть белков, имеющих четвертичную структуру, приходится на димеры, тетрамеры и гексамеры, последние встречаются у белков с молекулярной массой, большей 100 кДа.

Характерной особенностью белков с четвертичной структурой является их способность к самосборке. Взаимодействие протомеров осуществляется с высокой специфичностью, благодаря образованию десятка слабых связей между контактными поверхностями субъединиц, поэтому ошибки при формировании четвертичной структуры белков исключены. Практически все белки-ферменты имеют четвертичную структуру и состоят, как правило, из четного числа протомеров (двух, четырех, шести, восьми). Четвертичная структура белка подразумевает такое объединение белков третичной структуры, при котором появляются новые биологические свойства, не характерные для белка в третичной структуре. В частности, такие эффекты, как кооперативный и аллостерический, характерны лишь для белков с четвертичной структурой. Четвертичная структура - последний уровень в организации белковой молекулы, причем не обязательный - до половины известных белков ее не имеют.[1 ]

Литература

белок биофизика полипептидный

1. Биохимия и молекулярная биология. Версия 1.0 [Электронный ресурс]: конспект лекций / Н.М. Титова, А.А.Савченко, Т.Н. Замай и др. - Электрон. дан. (10 Мб). - Красноярск: ИПК СФУ, 2008.

2 Ревин В.В. Биофизика: Учеб./В.В. Ревин, Г.В. Максимов, О.Р. Кольс; Под редакцией проф. А.Б. Рубина.-Саранск: Изд-во Мордов. ун-та,2002. 156 с.

3. М.В. Волькенштейн. Биофизика М.: Наука ,1988.-592 с.

Размещено на Allbest.ru