Лекция №5

Третичная структура белковых молекул.

Установлено, что большинство белков имеют в нативном состоянии очень компактную форму молекулы, например сыворогточный альбумин (584 аминокислотных остатка). Если рассчитать эту молекулы, то в β-структуре длин 200 нм и толщина 0,5. Если бы она была свернута в виде α-спирали в длину 90 нм. На самом деле, максимальный размер молекулы составляет примерно 13 нм, а диаметр 3 нм. Третичная структура – это расположение α-спирали в пространстве. Вторым доказательством наличия третичной структуры являются рассуждения о денатурации белков.

Денатурация – действие на белки агрессивных сред (температура, соли минеральных кислот). Процесс денатурации: скрученная в виде глобуле полипептидная цепь по действием реагентов разрыхляется. После того, как молекула становится совершено рыхлой, она переходит в неструктурированное состояние. Причем полярные, заряженные группы оказываются снаружи этой молекулы, молекулы начинают взаимодействовать друг с другом и слипаются. Принимают еще большие агрегаты и выпадают в осадок. При денатурации происходит нарушение только третичной структуры, вторичная и первичная структуры остаются, поэтому при снятии действия возможно восстановление.

Третичная структура – это та структура белковой молекулы, которая отвечает за биологическую активность данного белка. Для каждой белковой молекулы третичная структура – это уникальная структура для каждого белка, она образуется в результате термодинамических закономерностей. Свертывается при реализации своих нативных свойств единственным способом для данной молекулы.

Методы установки третичной структуры.

Первый успех был достигнут при исследовании миоглобина кашалотов. На основании РСА Джон Кендрю в 1957 г. В Кембридже на основании заключения РСА:

1. Молекула миоглобина настолько компактна, что внутри нее может уместиться всего 4 молекулы воды.

2. Все полярные радикалы за исключением двух расположены во внешней поверхности молекулы в гидратированном состоянии.

3. Большая часть гидрофобных радикалов расположена внутри молекулы, т.о. защищена от воды.

4. Каждый из 4-х остатков пролина находится в месте изгиба полипептидной цепи, в других местах изгиба находятся остатки тиамина, серина и аспарагиновой кислоты.

5. Все пептидные связи имеют плоскую транс-конфигурацию.

6. Плоская гемо-группа (небелковый компонет) лежит в полости молекулы.

7. Миоглобин, выделенный из разных видов, имеет сходную конфигурацию.

8. Глобулярные белки разных видов имеют различную структуру.

Методом РСА в настоящее время исследовано уже несколько десятков разных белков, в том числе разные гемоглобины, цитохром С и многие другие.

Стабилизация третичной структуры.

1. В стабилизации этой третичной структуры прнимают все известные типы химических взаимодействий, это прежде всего ковалентные связи (дисульфидные мостики). Если в полипептидной цепочке есть хотя бы две молекулы цистеина, то они всегда найдут друг друга и образуют дисульфидный мостик.

2. При стабилизации, при образовании тех или иных связей принимают участие радикалы аминокислот.

3. Водородные связи между радикалами.

4. Гидрофобные взаимодействия. Некоторые ученые считают, что именно гидрофобное взаимодействие принимает наибольшее участие в стабилизации третичной структуры. Гидрофобные радикалы, взаимодействуя между собой дают неполярные связи внутри молекулы белка.

Свертывание в третичную структуры происходит очень быстро. Если бы молекула хотя бы из 100 аминокислот подбирала себе оптимальное состояние третичной структуры методом проб и ошибок, то на это ушло бы 10⁵⁰ лет. На самом деле это происходит в течение 5 секунд. Как только синтезируется белковая молекула, то она сразу же принимает наиболее выгодное состояние.

Четвертичная структура.

Четвертичная структура характерна для олигомерных белков – это белки, состоящие из нескольких полипептидных цепей. Каждая полипептидная цепь в такой олигомерной структуре называется субъединицей. Молекула гемоглобина состоит из 4-х полипептидных цепей попарно одинаковых. Вирус табачной мозаики в молекуле РНК содержит 2130 идентичных субъединиц. Таким образом субъединицы могут быть либо одинаковыми либо различными.

Нарушение четвертичной структуры происходит в результате денатурации, при действии реагентов, происходит разрушение субъединиц. При снятии воздействия четвертичная структура может восстановиться. Метахондриальный пируват дегидрогеназный комплекс (72 цепочки), синтетаза жирных кислот.

Классификация белков.

Классификация была предложена в конце XIX века

1. Простые – протеины.

2. Сложные – протеиды.

1. Протеины при гидролизе кроме аминокислот ничего не образуют, они могут быть классифицированы по растворимости и по наличию тех или иных аминокислот в большем или меньшем количестве. Из протеинов выделяют: альбумины (растворяются в дистилированой воде, распространены в растениях, являются запасными питательными веществами), глобулины (находятся там же где и альбуинмыны, но это более крупные белки, растворяются в разбавленных солевых растворах), проламины (белки растительного происхождения, растворяются в спиртовых растворах 70-80%, находятся в злаках, в них очень много пролина и глютаминовой кислоты), глютеины (составляют основную массу клейковины теста), гистоны (белки основного характера, в следствие высокого содержания в них лизина и аргинина, растворяются в кислотах, находятся в клеточных ядрах, где вместе с ДНК образуют хроматин), протамины (еще более основные белки, в ядрах клеток только некоторых рыб, имеют очень ограниченный аминокислотный состав), склеропротеины (это белки опорных тканей, костной ткани, хрящей, сухожилий, волос, шерсти, шелка, их общим свойством является нерастворимость в воде и некоторых других растворителях, они не подвержены действию протеолитических ферментов, это ферменты, расщепляющие протеины, действующие в желудочно-кишечном тракте, коллаген, феброин шелка, бета-керотин волос).

2. Протеиды, для них характерна связь полипептидной цепочки с какой-то небелковой структурой, которая называется простетической группой. Их классифицируют по характеру этой небелковой компоненты: хромопротеиды (окрашенные белки), нуклеопротеиды (небелковая часть - аминокислоты), гликопротеиды (углеводный компонент), липопротеиды (содержат липиды – жироподобные вещества), фосфопротеиды (содержат фосфорную кислоты), металлопротеиды (содержат ионы тяжелых металлов, которые непосредственно связаны с белковой молекулой).

Фосфопротеиды.

Эти белки содержат остатки фосфорной кислоты, последняя присоединяется к белковой молекулы за счет гидроксильных групп остатков серина, реже тирозина. Образуется фосфо-эфирная связь. Например, казеин молока, сгусток молока который образуется при скисании молока, который дает кефиры, ряженки, сыры. Рассматривается как запасное питательное вещество. В яичном белке также сдержатся фосфопротеиды. Для АТФ необходима фосфорная кислота, она как раз попадает с этими белками.

Гликопротеиды.

Это белки, которые содержат ковалентно присоединенные углеводы. Содержат разные фрагменты моносахаридов и их производные. Выделяют две группы: гликопротеиды, в которых превалирует белковая часть, а небелковая часть составляет от 1 до 30%, в этих гликопротеидых углевод нейтрального характера. Почти все белки на внешней поверхности животных клеток – это гликопротеиды. Антифризный белок, который обнаружен в крови арктических рыб, он представляет собой полипептидную цепочку, состоящую из повторяющихся звеньев ала-ала-тре.

Второй тип –гликопротеиды, в которых углеводная часть превалирует над белковой. Полисахариды кислого характера (мукополисахариды, входят в состав слюны). До 70% углевода кавалентно присоединенного к белковой молекуле. Представители: гликофорин (входит с состав эритроцитов и образует мембрану эритрюоцитов, является перносчиком сахара, сложный белок с молекулярной массой 30000, содержит 130 остатков, в структуру мембраны внедрена эта полипептидная цепочка).

Незаряженные хвосты – высшие жирные кислоты.

Углеводный кустик отвечает за специфичность данной крови, он определяет группу крови. Вживлен мембрану эритроцита.

Липопротеиды.

Могут быть различны по своим свойствам. В мембране содержатся липиды, которые содержат белок, который вшивается в часть мембраны. Мембрана и белки связаны не ковалентно. Другие липопротеиды могут представлять структуры. Которые называют хиломикроны (липиды, которые поступают в кровь в виде микроскопических капелек и разносятся кровью, они представляют незаряженные липиды ацилглицеролы, которые окружены тонкой белкво. й облочкой, в виде таких хиломикронов разносятся кровью во все другие ткани, органы). Третий тип – некрупные образования, которые представляют собой структуру, в которой белок окружен заряженными липидами – фосфоглицеридами. Все клеточные мембраны представляют собой липопротеидные структуры – двойной липидной слой и обязательное включение белков.

Хромопротеиды.

Это окрашенные белки. Хлорофилл, миоглобин, цитохромы, дыхательные ферменты.

Гемоглобин содержится в эритроцитах. В организме взрослого человека циркулирует примерно 5-6 литров крови, причем 1\3 крови – эритроциты. Эритроциты взвешены в богатой белками плазме крови. По организму человека циркулирует до 600 литров кислорода, весь этот объем переносится эритроцитами. Кислород поступает в организм во все клетки, ткани с кровью, разносит его гемоглобин, который входит в состав эритроцитов. В артериальной крови от легких гемоглобин насыщен кислородом на 96%, а та которая возвращается в сердце в венозной крови ~ 67%. Эритроциты образуются в красном спинном костном мозге и теряют способность к самовоспроизведению, живут примерно 120 дней. Гемоглобин – сложный белок, он состоит из белка глобина, содержащего 4 попарно одинаковые полипептидные цепи. Две из них содержат 146, а две 141 аминокислотных остатка. Каждая полипептидная цепь гемоглобина связана с небелковой частью – гемом.

Близкое подобие в конфирмации у альфа- бета-цепей гемоглобина и у белка миоглобина оказалось очень неожиданным, т.к. они существенно отличаются по аминокислотному составу, у них только 24 положения идентичными. Т.о. очевидно, что пространственная конфигурация миоглобина кашалота и гемоглобина человека имеют общее биологическое значение, это та основная форма, которую природа выбрала для переноса кислорода. Смысл её в том, что вокруг гемма создается такое микроокружение, которое обеспечивает обратимость связывания кислорода.

Гем – это железосодержащее протопротеиновое кольцо, состоящее из четырех пирольных колец. Железо в гемме двухвалентное.

Это плоская ароматическая структура с чередующимися двойными связями, 18 электронов находятся в сопряжении. Координационное железо равно 6, одна координационная связь связывается с гистедином-57 белковой молекуле, еще две другие связаны с кислородом координационно. Железо и в гемоглобине и в оксигемоглобине имеет степень окисления +2. При образовании связи с кислородом гемоглобин меняет конфирмацию белковой молекулы.