План

Вступ 2

1. Структура білка 3

2. Конформаційні зміни молекул білків 10

3. Принцип конформаційних змін в регуляторних білках 12

Висновок 14

Список використаної літератури 15

1. Вступ

Існує точка зору, що природа прямує до самопізнання. Суб’єктом такого самопізнання є людина з її здатністю до дуже складного відображення дійсності. Умовно цей процес можна розділити на три етапи.

Перший етап – це пізнання людиною оточуючої її природи без залучення в цей процес самої людини. Другий етап – це пізнання людиною суті живого. Це, врешті, відповідь на питання – чому жива матерія, складаючись з неживої, все ж є живою. Чи є принципова відмінність живого від не живого, чи вся справа просто в дуже складній організації живого на молекулярному рівні. Нарешті, третій етап – це самовідтворення природи не в простому фізіологічному розумінні, а в розумінні відтворення нових форм шляхом моделювання живих систем, використовуючи принципи функціонування живого. Але третій етап це майбутнє.

Не буде великим перебільшенням твердження про те, що білки мають визначне значення для життєдіяльності організмів. Зокрема без таких білків, як ферментативні та мембранні були б не можливі процеси метаболізму (обміну речовин). Ферментативні білки, як це видно з самої їх назви, прискорюють хімічні реакції, направлені врешті на створення необхідних організмові речовин, і в першу чергу самих білків, нуклеїнових кислот та енергетичної бази організму. Але ж ферментативні білки відрізняються від неорганічних ферментів тим, що вони можуть бути у неактивному стані. Тобто вони “працюють” як ферменти не завжди, а лише за певних умов. Зокрема однією з таких необхідних умов є наявність збудження білкової молекули енергією гідролізу АТФ (аденозинтрифосфату). Саму функціональну активацію білка пов’язують з її конформаційною перебудовою (із зміною відносного просторового розташування окремих її ділянок).

Виявляється реакція гідролізу АТФ з виділенням певної енергії необхідна для функціонування не лише ферментативних білків, а і для функціонування всіх відомих їх різновидів. Мембранні білки не виконують функції активного транспорту атомів та іонів через мембрану без такої активації. М’язові білки без неї не скорочуються. Без активації відповідних білків не відбувається, або, принаймні, суттєво порушуються, процеси синтезу ДНК та синтезу білків на основі записаної у ДНК інформації. Врешті без активації відповідних білків (АТФази) не синтезуються і самі молекули АТФ. З усього цього зрозуміло, що центральним місцем у розумінні функціональних властивостей білків є вивчення механізмів конформаційного відгуку білкової молекули на її збудження енергією гідролізу АТФ. З універсальності джерела збудження (у всіх випадках – це гідроліз АТФ) випливає і універсальність механізму її засвоєння білковою молекулою на певному структурному рівні, з одного боку, але, з другого боку, відомо, що функціональні прояви такого збудження різноманітні.

Важливе місце у процесі метаболізму відіграє перенос електронів у ланцюгу синтезу молекули АТФ. Виявляється, що білки є досить пристосованими об’єктами для того, щоб приймати активну участь у цьому за допомогою струмових станів (на базі зони провідності).

2. 1. Структура білка

Білки - це високомолекулярні з'єднання (полімери), що складаються з α-амінокислот - мономірних ланок, з'єднаних між собою пептидними зв'язками.

Всі 20 амінокислот, що зустрічаються в білках, це α-амінокислоти, загальною ознакою яких є наявність аміногрупи - NН2 і карбоксильної групи - СООН у α-вуглецевого атома. α-амінокислоти відрізняються один від одного структурою групи R і, отже, властивостями. Всі амінокислоти можна згрупувати на основі полярності R-груп, тобто їх здатності взаємодіяти з водою при біологічних значеннях рН.

Пептидні зв'язки утворюються при взаємодії α-аміногрупи однієї амінокислоти з α-карбоксильною групою іншої амінокислоти. Пептидний зв'язок - це амідний ковалентний зв'язок, що з'єднує амінокислоти в ланцюжок. Отже, пептиди - це ланцюжки амінокислот.

Поліпептидний ланцюг має певний напрям, так як у нього різні кінці - або вільна α-аміногрупа (N-кінець), або вільна α-карбоксильна група (С-кінець):

Зображення послідовності амінокислот в ланцюзі починається з N-кінцевий амінокислоти. З неї ж починається нумерація амінокислотних залишків. У поліпептидного ланцюга багаторазово повторюється група: -NH-CH-CO-.

Ця група формує пептидний остов. Отже, поліпептидний ланцюг складається з остову (скелета), що має регулярну, повторювану структуру, і окремих бічних ланцюгів R-груп.

Первинна структура характеризується порядком (послідовністю) чергування амінокислот у поліпептидному ланцюзі. Навіть однакові за довжиною і амінокислотним складом пептиди можуть бути різними речовинами тому, що послідовність амінокислот у ланцюгу у них різна.

Послідовність амінокислот у білку унікальна і детермінується генами. Навіть невеликі зміни первинної структури можуть серйозно змінювати властивості білка. Було б неправильно припустити, що кожен амінокислотний залишок у білку необхідний для збереження нормальної структури і функції білка.

Наприклад, були виявлені багато варіантів послідовностей гемоглобіну, що функціонують нормально. Пояснення цього полягає в розумінні конформації білка.

Конформація поліпептидних ланцюгів

Функціональні властивості білків визначаються їх конформацією, тобто розташуванням поліпептидного ланцюга в просторі. Унікальність конформації для кожного білка визначається його первинної структурою. У білках розрізняють два рівні конформації пептидного ланцюга - вторинну і третинну структуру.

Вторинна структура білків обумовлена здатністю груп пептидного зв'язку до водневих взаємодій: C = O. ... HN.

Пептид прагне прийняти конформацію з максимумом водневих зв'язків. Однак можливість їх утворення обмежується тим, що пептидний зв'язок має частково подвійний характер, тому обертання навколо нього ускладнене. Пептидний ланцюг набуває не довільну, а строго певну конформацію, що фіксується водневими зв'язками.

Відомі кілька способів укладання поліпептидного ланцюга: α-спіраль - утворюється внутрішньоланцюговими водневими зв'язками між NH-групою одного залишку амінокислоти і CO-групою четвертого від неї залишку; β-структура (складчастий лист) - утворюється міжланцюговими водневими зв'язками або зв'язками між ділянками одного поліпептидного ланцюга зігнутої в зворотному напрямку; безладний клубок - це ділянки, які не мають правильної, періодичної просторової організації.

Але конформація цих ділянок також строго обумовлена амінокислотною послідовністю. Зміст α-спіралей і β-структур в різних білках різний: у фібрилярних білків - тільки α-спіраль або тільки β-складчастий лист; а у глобулярних білків - окремі фрагменти поліпептидного ланцюга: або α-спіраль, або β-складчастий лист, або безладний клубок.

В одному і тому ж білку можуть бути присутні всі три способи укладання поліпептидного ланцюга:

Третинна структура глобулярних білків представляє орієнтацію в просторі поліпептидного ланцюга, що містить α-спіралі, β-структури і ділянки без періодичної структури (безладний клубок).

Додаткове складання скрученого поліпептидного ланцюга утворює компактну структуру. Це відбувається, перш за все, в результаті взаємодії між бічними ланцюгами амінокислотних залишків. Існує кілька видів взаємодії між R-групами, в основному нековалентного характеру.

Зв'язки, що стабілізують третинну структуру:

1) Електростатичні сили притягання між R-групами, що несуть протилежно заряджені йоногенні групи (іонні зв'язки);

2) Водневі зв'язки між полярними (гідрофільними) R-групами;

3) Гідрофобні взаємодії між неполярними (гідрофобними) R-групами;

4) Дисульфідні зв'язки між радикалами двох молекул цистеїну.

Ці зв'язки ковалентні. Вони підвищують стабільність третинної структури, але не завжди є обов'язковими для правильного скручування молекули. У ряді білків вони можуть взагалі бути відсутнім.

Доменні білки містять відокремлені глобули - домени, утворені одним і тим же пептидним ланцюгом. Домени з'єднані пептидними перемичками. Вторинне і третинне укладання поліпептидного ланцюга білка повністю визначається його первинної структурою.

Денатурація

Білкова молекула має нативну (функціональну) конформацію завдяки наявності великої кількості слабких зв'язків та швидко денатурує при зміні умов середовища, від яких ці сили залежать.

Зміна температури, іонної сили, рН, а також обробка органічними або деякими дестабілізуючими агентами може призвести до порушення нативної конформації, що і називається денатурацією.

Денатуруючі речовини утворюють зв'язки з аміногрупами або карбонільними групами пептидного кістяка або деякими бічними залишками амінокислот, підміняючи власні внутрішньомолекулярні зв'язки в білку, внаслідок чого вторинна і третинна структури змінюються. Ці зміни не зачіпають первинну структуру, при цьому біологічна активність білка втрачається.

Ренативація

При певних умовах денатурований білок може бути ренативований. Це відбувається при видаленні денатуруючого або дестабілізуючого чинника. Наприклад, при видаленні сечовини діалізом поліпептиди мимовільно відновлюють свою нативну конформацію. Те ж відбувається при повільному охолодженні денатурованого нагріванням білка:

Це підтверджує, що характер укладання пептидного ланцюга зумовлений первинною структурою.

Взаємодія білків з лігандами

Основною властивістю білка, що забезпечує його функцію, є виборча взаємодія з певною речовиною — лігандом.

Лігандами можуть бути речовини різної природи, як низькомолекулярні з'єднання, так і макромолекули, у тому числі і білки. На білкових молекулах є ділянки, до яких приєднується ліганд - центри зв'язування або активні центри. Центри зв'язування формуються з амінокислотних залишків, зближених в результаті формування вторинної та третинної структури.

Зв'язки між білком і лігандом можуть бути нековалентними і ковалентними. Висока специфічність взаємодії («впізнавання») білка і ліганда забезпечується комплементарністю структури центру зв'язування просторової структурі ліганду.

Під комплементарністю розуміють хімічну і просторову відповідність активного центру білка і ліганда. Взаємодія між білком Р і лігандом L описується рівнянням:

білок + ліганд ↔ білково-лігандний комплекс.

Четвертинна структура і кооперативність

У білках розрізняють первинну, вторинну, третинну і четвертинну структури:

Рівні структурної організації білка

Четвертинна структура характерна для білків, побудованих з двох або більше пептидних ланцюгів. Білки такого типу називаються олігомерами. Четвертинна структура - це та кількість, і спосіб укладання поліпептидних ланцюгів (протомерів) в просторі.

Протомери пов'язані один з одним за допомогою лише нековалентних зв'язків (іонних, водневих, гідрофобних). Причому протомери взаємодіють один з одним тільки певними ділянками своїй поверхні (контактні ділянки). Взаємне «впізнавання» контактних ділянок відбувається за принципом комплементарності. Кожен протомер взаємодіє з іншим в багатьох точках. Отже, помилкові комплекси в олігомері практично неможливі. Олігомерні білки здатні взаємодіяти з кількома лігандами в центрах, віддалених один від одного.

Зв'язування одного протомера з лігандом змінює конформацію цього протомера, а також всього олігомеру і, крім того, спорідненість до інших лигандів. Таким чином, функціональна активність олігомерних білків може регулюватися аллостеричними лігандами. Зв'язок між структурою білка і його функцією можна розглянути на прикладі двох споріднених білків: міоглобіну і гемоглобіну.

Міоглобін - мономер (складається з одного поліпептидного ланцюга), основна його функція - запасання кисню в тканинах. Маючи високу спорідненість до кисню, міоглобін легко приєднує його і віддає кисень тільки при інтенсивній м'язовій роботі, коли парціальний тиск кисню падає нижче 10 мм рт. ст.

Гемоглобін - тетрамер (складається з чотирьох протомерів). Основна функція гемоглобіну - оборотне зв'язування з киснем в легенях, де парціальний тиск кисню високий і гемоглобін взаємодіє з чотирма молекулами кисню. У тканинах СО₂ і Н₂О, які утворюються при катаболізмі харчових речовин, взаємодіють з гемоглобіном і зменшують його спорідненість до кисню, що полегшує надходження кисню до тканин.

В еритроцитах є також аллостеричний ліганд 2,3-дифосфоглицерата, здатний взаємодіяти з дезоксигемоглобіном. Це перешкоджає зворотному зв'язуванню звільненого кисню з гемоглобіном.

Таким чином, зв'язування гемоглобіну з аллостеричними лігандами в тканинах, при відносно високому парціальному тиску, забезпечує надходження кисню до тканин.

З розглянутих прикладів слід зробити висновок, що аллостеричний ефект є результатом зв'язування ліганда зі специфічною ділянкою білка. Це викликає значну зміну в білковій молекулі, яка в свою чергу впливає на активність іншої, просторово віддаленої ділянки.

Кооперативні зміни конформації олігомерних білків становлять основу механізму регуляції функціональної активності не тільки гемоглобіну, а й багатьох інших білків.

Прості і складні білки

Якщо білки крім пептидних ланцюгів містять ще компоненти неамінокислотної природи, то такі білки називаються складними. Небілкової частину називають простетичною групою, а білкову апопротеїном.

Складний білок холопротеїн може дисоціювати на компоненти: Холопротеїн ↔ апопротеїн + простетична група.

Напрямок реакції залежить від міцності зв'язку компонентів холопротеїна. Простетичною групою можуть бути органічні речовини, іони металів, нуклеїнові кислоти, вуглеводи, ліпіди та інші речовини.