Белки. Классификация. Функции. Уровни организации. Физико-химические свойства. Типы белков: классификация, определение и примеры Функциональная классификация белков

Структура простых белков представлена только полипептидной цепью (альбумин, инсулин). Однако необходимо понимать, что многие простые белки (например, альбумин) не существуют в "чистом" виде, они всегда связаны с какими-либо небелковыми веществами. Их относят к простым белкам только по той причине, что связи с небелковой группой слабые и при выделении in vitro они оказываются свободным от других молекул - простым белком.

Альбумины

В природе альбумины входят в состав не только плазмы крови (сывороточные альбумины), но и яичного белка (овальбумин), молока (лактальбумин), являются запасными белками семян высших растений.

Глобулины

Группа разнообразных белков плазмы крови с молекулярной массой до 100 кДа, слабокислые или нейтральные . Они слабо гидратированы, по сравнению с альбуминами меньше устойчивы в растворе и легче осаждаются, что используется в клинической диагностике в "осадочных" пробах (тимоловая , Вельтмана). Несмотря на то, что их относят к простым, часто содержат углеводные компоненты.

При электрофорезе глобулины сыворотки крови разделяются, как минимум, на 4 фракции – α 1 -глобулины , α 2 -глобулины , β-глобулины и γ-глобулины .

Картина электрофореграммы (вверху) белков сыворотки крови
и полученной на ее основе протеинограммы (внизу)

Так как глобулины включают в себя разнообразные белки, то их функции разнообразны:

Часть α-глобулинов обладает антипротеазной активностью, что защищает белки крови и межклеточного матрикса от преждевременного разрушения, например, α 1 -антитрипсин , α 1 -антихимотрипсин , α 2 -макроглобулин .

Некоторые глобулины способны к связыванию определенных веществ: трансферрин (переносит ионы железа), церулоплазмин (содержит ионы меди), гаптоглобин (переносчик гемоглобина), гемопексин (транспорт гема).

γ-Глобулины являются антителами и обеспечивают иммунную защиту организма.

Гистоны

Гистоны – внутриядерные белки массой около 24 кДа. Обладают выраженными основными свойствами, поэтому при физиологических значениях рН заряжены положительно и связываются с дезоксирибо-нуклеиновой кислотой (ДНК), образуя дезоксирибо-нуклеопротеины . Существуют 5 типов гистонов – очень богатый лизином (29%) гистон Н1, другие гистоны Н2а, H2b, НЗ, Н4 богаты лизином и аргинином (в сумме до 25%).

Радикалы аминокислот в составе гистонов могут быть метилированы, ацетилированы или фосфорилированы. Это изменяет суммарный заряд и другие свойства белков.

Можно выделить две функции гистонов:

1. Регуляция активности генома, а именно – они препятствуют транскрипции.

2. Структурная – стабилизируют пространственную структуру ДНК.

Гистоны в комплексе с ДНК образуют нуклеосомы – октаэдрические структуры, составленные из гистонов Н2а, H2b, НЗ, Н4. Гистон H1 связан с молекулой ДНК, не позволяя ей "соскользнуть" с гистонового октамера. ДНК обвивает нуклеосому 2,5 раза после чего обвивает следующую нуклеосому. Благодаря такой укладке достигается уменьшение размеров ДНК в 7 раз.

Благодаря гистонам и формированию более сложных структур размеры ДНК, в конечном итоге, уменьшаются в тысячи раз: на самом деле длина ДНК достигает 6-9 см (10 –1) , а размеры хромосом – всего несколько микрометров (10 –6).

Протамины

Это белки массой от 4 кДа до 12 кДа, имеются в ядрах сперматозоидов многих организмов, в сперме рыб они составляют основную массу белка. Протамины являются заменителями гистонов и служат для организации хроматина в спермиях. По сравнению с гистонами протамины отличаются резко увеличенным содержанием аргинина (до 80%). Также, в отличие от гистонов, протамины обладают только структурной функцией, регулирующей функции у них нет, хроматин в сперматозоидах неактивен.

Коллаген

Коллаген – фибриллярный белок с уникальной структурой, составляет основу межклеточного вещества соединительной ткани сухожилий, кости, хряща, кожи, но имеется, конечно, и в других тканях.

Полипептидная цепь коллагена включает 1000 аминокислот и носит название α-цепь. Насчитывается около 30 вариантов α-цепи коллагена, но все они обладают одним общим признаком – в большей или меньшей степени включают повторяющийся триплет [Гли-Х-Y ], где X и Y – любые, кроме глицина, аминокислоты. В положении X чаще находится пролин или, гораздо реже, 3-оксипролин , в положении Y встречается пролин и 4-оксипролин . Также в положении Y часто находится аланин , лизин и 5-оксилизин . На другие аминокислоты приходится около трети от всего количества аминокислот.

Жесткая циклическая структура пролина и оксипролина не позволяет образовать правозакрученную α-спираль , но образует т.н. "пролиновый излом". Благодаря такому излому формируется левозакрученная спираль, где на один виток приходится 3 аминокислотных остатка.

При синтезе коллагена первостепенное значение имеет гидроксилирование лизина и пролина , включенных в состав первичной цепи, осуществляемое при участии аскорбиновой кислоты . Также коллаген обычно содержит моносахаридные (галактоза) и дисахаридные (глюкоза-галактоза) молекулы, связанные с ОН-группами некоторых остатков оксилизина.

Этапы синтеза молекулы коллагена

Синтезированная молекула коллагена построена из 3 полипептидных цепей, сплетенных между собой в плотный жгут – тропоколлаген (длина 300 нм, диаметр 1,6 нм). Полипептидные цепи прочно связаны между собой через ε-аминогруппы остатков лизина. Тропоколлаген формирует крупные коллагеновые фибриллы диаметром 10-300 нм. Поперечная исчерченность фибриллы обусловлена смещением молекул тропоколлагена друг относительно друга на 1/4 их длины.

Фибриллы коллагена очень прочны, они прочнее стальной проволоки равного сечения. В коже фибриллы образуют нерегулярно сплетенную и очень густую сеть. Например, выделанная кожа представляет собой почти чистый коллаген.

Гидроксилирование пролина осуществляет железо -содержащий фермент пролилгидроксилаза для которого необходим витамин С (аскорбиновая кислота). Аскорбиновая кислота предохраняет от инактивации пролилгидроксилазу, поддерживая восстановленное состояние атома железа в ферменте. Коллаген, синтезированный в отсутствии аскорбиновой кислоты, оказывается недостаточно гидроксилированным и не может образовывать нормальные по структуре волокна, что приводит к поражению кожи и ломкости сосудов, и проявляется как цинга .

Гидроксилирование лизина осуществляет фермент лизилгидроксилаза. Она чувствительна к влиянию гомогентизиновой кислоты (метаболит тирозина), при накоплении которой (заболевания алкаптонурия ) нарушается синтез коллагена, и развиваются артрозы.

Время полужизни коллагена исчисляется неделями и месяцами. Ключевую роль в его обмене играет коллагеназа , расщепляющая тропоколлаген на 1/4 расстояния с С-конца между глицином и лейцином.

По мере старения организма в тропоколлагене образуется все большее число поперечных связей, что делает фибриллы коллагена в соединительной ткани более жесткими и хрупкими. Это ведет к повышенной ломкости кости и снижению прозрачности роговицы глаза в старческом возрасте.

В результате распада коллагена образуется гидроксипролин . При поражении соединительной ткани (болезнь Пейджета, гиперпаратиреоидизм) экскреция гидроксипролина возрастает и имеет диагностическое значение .

Эластин

По строению в общих чертах эластин схож с коллагеном. Находится в связках, эластичном слое сосудов. Структурной единицей является тропоэластин с молекулярной массой 72 кДа и длиной 800 аминокислотных остатков. В нем гораздо больше лизина, валина, аланина и меньше гидроксипролина. Отсутствие пролина обусловливает наличие спиральных эластичных участков.

Характерной особенностью эластина является наличие своеобразной структуры – десмозина , который своими 4-мя группами объединяет белковые цепи в системы, способные растягиваться во всех направлениях.

α-Аминогруппы и α-карбоксильные группы десмозина включаются в пептидные связи одной или нескольких белковых цепей.

Благодаря необъятному количеству возможных комбинаций при синтезе белка из 20 аминокислот существует множество разнообразных аминокислотных последовательностей, каждая из которых потенциально соответствует определенному белку. Все эти белки легко сгруппировать по отдельным классам, выделяя определенный признак – функцию или особенности строения.

Классификация по функции

В соответствии с биологическими функциями выделяют:

• структурные белки (коллаген , кератин),
• ферментативные (пепсин , амилаза),
• транспортные (трансферрин , альбумин , гемоглобин),
• резервно-пищевые (белки яиц и злаков),
• сократительные и двигательные (актин, миозин, тубулин),
• защитные (иммуноглобулины, тромбин, фибриноген),
• регуляторные (соматотропный гормон , адренокортикотропный гормон , инсулин).

Классификация по строению

В зависимости от формы молекулы выделяют глобулярные и фибриллярные белки. В глобулярных белках соотношение продольной и поперечной осей составляет менее 10 и в большинстве случаев не более 3-4. Эти белки характеризуются компактной трехмерной укладкой полипептидных цепей. Например: инсулин , альбумин , глобулины плазмы крови.

Фибриллярные белки имеют соотношение осей более 10. Они состоят из пучков полипептидных цепей, спиралью навитых друг на друга и связанные между собой поперечными ковалентными и водородными связями. Выполняют защитную и структурную функции. Например: кератин, миозин, коллаген .

По количеству белковых цепей в одной молекуле выделяют мономерные белки, которые имеют одну субъединицу (протомер) и полимерные белки, имеющие несколько субъединиц. Например, к мономерным белкам относятся альбумины , миоглобин, к полимерным - гемоглобин (4 субъединицы), ферменты лактатдегидрогеназа и креатинкиназа (4 и 2 субъединицы, соответственно), гексокиназа (2 субъединицы). Субъединицы в белке могут быть как одинакового, так и различного строения.

Есть и более крупные белки. К ним относятся РНК-полимераза E.coli – 5 цепей, аспартаткарбамоилтрансфераза – 12 протомеров, глутаминсинтетаза – 12 протомеров, пируватдегидрогеназа – 72 белковых цепи.

По химическому составу все белки подразделяют на простые и сложные . Простые белки содержат в структуре только аминокислоты (

Белковыми веществами называются высокомолекулярные органические соединения, молекулы которых состоят из остатков 20 различных α-аминокислот. Белки играют огромную роль в деятельности живых организмов, в том числе и человека. Наиболее важными функциями белков являются:

- структурная функция (соединительные ткани, мышцы, волосы и т.д.); каталитическая функция (белки входят в состав ферментов);

- транспортная функция (перенос кислорода гемоглобином крови); защитная функция (антитела, фибриноген крови),

- сократительная функция (миозин мышечной ткани); гормональная (гормоны человека);

- резервная (ферритин селезенки). Резервная или питательная функция белков заключается в том, что белки используются организмом человека для синтеза белков и биологически активных соединений на основе белка, которые регулируют процессы обмена в организме человека.

Белки состоят из остатков α - аминокислот соединенных пептидной связью (- СО – NН -), которая образуется за счет карбоксильной группы первой аминокислоты и α - аминогруппы второй аминокислоты.

Существует несколько видов классификации белков.

Классификация по строению пептидной цепочки : различают спиралевидную форму в виде α - спирали и складчатую структуру в виде β - спирали.

Классификация по ориентации белковой молекулы в пространстве :

1.Первичная структура представляет собой соединение аминокислот в простейшую линейную цепь за счет только пептидных связей.

2.Вторичная структура представляет собой пространственное расположение полипептидой цепи в виде ά - спирали или β - складчатой структуры. Структура удерживается за счет возникновения водородных связей между соседними пептидными связями.

3.Третичная структура представляет собой специфическое укладывание ά - спирали в виде глобул. Структура удерживается за счет возникновения связей между боковыми радикалами аминокислот.

4.Четвертичная структура представляет собой соединение нескольких глобул, находящихся в состоянии третичной структуры, в одну укрупненную структуру, обладающую новыми свойствами, не характерными для отдельных глобул. Глобулы удерживаются за счет возникновения водородных связей.

Поддержание характерной пространственной третичной структуры белковой молекулы осуществляется за счет взаимодействия боковых радикалов аминокислот между собой с образованием связей: водородных, дисульфидных, электростатических, гидрофобных. Конфигурации перечисленных связей приведены на рисунке 2.1.

Классификация по степени растворимости белка .

- Водорастворимые белки имеют небольшую молекулярную массу, их представляют альбумины яйца.

- Солерастворимые белки растворяются в 10 % растворе хлорида натрия, их представляют глобулины : белок молока казеин, белок крови глобулин.

- Щелочерастворимые белки растворяются в 0,2 % растворе гидроксила натрия, их представляют глютелины : белок клейковины пшеницы.

- Спирторастворимые белки растворяются в 60-80 % спирте, их представляютпроламины : белки злаковых культур.

Классификация по строению белка .

Белки по строению белковой молекулы разделяются на простые или протеины и сложные или протеиды. В состав простых белков входят только аминокислоты, в состав сложных белков входят аминокислоты (апобелок) и вещества небелковой природы (простетическая группа), которая включает: фосфорную кислоту, углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты и т.д.

Протеиды подразделяются на подгруппы в зависимости от состава небелковой части.

Простые – содержат в составе только аминокислоты (альбумины, глобулины, гистоны, протамины). Подробно эти белки характеризуются ниже.

Сложные – кроме аминокислот имеются небелковые компоненты (нуклеопротеины, фосфопротеины, металлопротеины, липопротеины, хромопротеины, гликопротеины). Подробно эти белки характеризуются ниже.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОСТЫХ БЕЛКОВ

Структура простых белков представлена только полипептидной цепью (альбумин, инсулин). Однако необходимо понимать, что многие простые белки (например, альбумин) не существуют в „чистом" виде, они всегда связаны с какими-либо небелковыми веществами. Их относят к простым белкам, т.к. связи с небелковой группой слабые.

А ЛЬБУМИНЫ

Группа белков плазмы крови с молекулярной массой около 40 кДа, имеют кислые свойства и отрицательный заряд при физиологических рН, т.к. содержат много глутаминовой кислоты. Легко адсорбируют полярные и неполярные молекулы, являются в крови переносчиком многих веществ, в первую очередь билирубина и жирных кислот.

Г ЛОБУЛИНЫ

Группа разнообразных белков плазмы крови с молекулярной массой до 100 кДа, слабокислые или нейтральные. Они слабо гидратированы, по сравнению с альбуминами меньше устойчивы в растворе и легче осаждаются, что используется в клинической диагностике в „осадочных" пробах (тимоловая, Вельтмана). Часто содержат углеводные компоненты.

При обычном электрофорезе разделяются, как минимум, на 4 фракции – α 1 , α 2 , β и γ .

Так как глобулины включают в себя разнообразные белки, то их функции многочисленны. Часть α -глобулинов обладает антипротеазной активностью, что защищает белки крови от преждевременного разрушения, например, α 1 -антитрипсин , α 1 -антихимотрипсин, α 2 -макроглобулин . Некоторые глобулины способны к связыванию определенных веществ: трансферрин (переносчик ионов железа), церулоплазмин (содержит ионы меди), гаптогло-

бин (переносчик гемоглобина), гемопексин (переносчик тема). γ -Глобулины являются антителами и обеспечивают иммунную защиту организма.

Г ИСТОНЫ

Гистоны – внутриядерные белки массой около 24 кДа. Обладают выраженными основными свойствами, поэтому при физиологических значениях рН заряжены положительно и связываются с дезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК). Существуют 5 типов гистонов – очень богатый лизином (29%) гистон Н1 , другие гистоны Н2а , H2b , НЗ , Н4 богаты лизином и аргинином (в сумме до 25%).

Радикалы аминокислот в составе гистонов могут быть метилированы, ацетилированы или фосфорилированы. Это изменяет суммарный заряд и другие свойства белков.

Можно выделить две функции гистонов:

1. Регулируют активность генома, а

именно препятствуют транскрипции.

2. Структурная – стабилизируют

пространственную структуру

ДНК.

Гистоны образуют нуклеосомы

– октаэдрические структуры, составленные из гистонов Н2а, H2b, НЗ, Н4. Нуклеосомы соединяются между собой через гистон H1. Благодаря такой структуре достигается уменьшение размеров ДНК в 7 раз. Далее нить

ДНК с нуклеосомами складывается в суперспираль и "суперсуперспираль". Таким образом, гистоны участвуют в плотной упаковке ДНК при формировании хромосом.

П РОТАМИНЫ

Это белки массой от 4 кДа до 12 кДа, у ряда организмов (рыбы) они являются заменителями гистонов, есть в спермиях. Отличаются резко увеличенным содержанием аргинина (до 80%). Протамины присутствуют в клетках, не способных к делению. Их функция как у гистонов – структурная.

К ОЛЛАГЕН

Фибриллярный белок с уникальной структурой. Обычно содержит моносахаридные (галактоза) и дисахаридные (галактоза-глюкоза) остатки, соединенные с ОН-группами некоторых остатков гидроксилизина. Составляет основу межклеточного вещества соединительной ткани сухожилий, кости, хряща, кожи, но имеется, конечно, и в других тканях.

Полипептидная цепь коллагена включает 1000 аминокислот и состоит из повторяющегося триплета [Гли-А-В], где А и В – любые, кроме глицина, аминокислоты. В основном это аланин, его доля составляет 11%, доля пролина и гидроксипролина – 21%. Таким образом, на другие аминокислоты приходится всего 33%. Структура пролина и гидроксипролина не позволяет образовать α -спиральную структуру, из-за этого образуется левозакрученная спираль, где на один виток приходится 3 аминокислотных остатка.

Молекула коллагена построена из 3 полипептидных цепей, сплетенных между собой в плотный жгут – тропоколлаген (длина 300 нм, диаметр 1,6 нм). Полипептидные цепи прочно связаны между собой через ε -аминогруппы остатков лизина. Тропоколлаген формирует крупные коллагеновые фибриллы диаметром 10-300 нм. Поперечная исчерченность фибриллы обусловлена смещением молекул тропоколлагена друг относительно друга на 1/4 их длины.

В коже фибриллы образуют нерегулярно сплетенную и очень густую сеть – выделанная кожа представляет собой почти чистый коллаген.

Э ЛАСТИН

По строению в общих чертах эластин схож с коллагеном. Находится в связках, эластичном слое сосудов. Структурной единицей является тропоэластин с молекулярной массой 72 кДа и длиной 800 аминокислотных остатков. В нем гораздо больше лизина, валина, аланина и меньше гидроксипролина. Отсутствие пролина обуславливает наличие спиральных эластичных участков.

Характерной особенностью эластина является наличие своеобразной структуры – десмозина , который своими 4-мя группами объединяет белковые цепи в системы, способные растягиваться во всех направлениях.

α -Аминогруппы и α -карбоксильные группы десмозина включаются в образование пептидных связей одного или нескольких белков.

В зависимости от химического состава белки делятся на 3 группы:
1) простые (протеины);
2) пептиды;
3) сложные (протеиды).

1. Простые белки построены из аминокислот и при гидролизе распадаются только на аминокислоты.

Протамины и гистоны – содержат до 85% аргинина, поэтому имеют выраженные основные свойства.

Белок сальмин , полученный из молок семги; клупеин – из молок сельди, скорее относятся к пептидам, т.к. имеют Mr не более 5000 Да.

Протамины в основном являются белковой частью нуклеотидов (ДНК). Гистоны сосредоточены главным образом в ядре и представляют белковую часть РНК.

Проламины и глютелины – белки растительного происхождения: зеин получают из кукурузы, глютенин - из пшеницы. Содержат до 25% глу, 10-15% про.

Альбумины и глобулины – содержатся в сыворотке крови, молоке, яичном белке, мышцах и т.д. Это глобулярные белки, отличающиеся различной растворимостью (альбумины растворяются лучше), по Mr (альбумины имеют молекулярную массу, равную 69000 Да, глобулины - 150000Да).

2. Пептиды – это низкомолекулярные азотсодержащие соединения, состоящие из остатков аминокислот и имеющие молекулярную массу менее 5000 Да.

а) с гормональной активностью (АКТГ, окситоцин, вазопрессин и др.);
б) участвующие в процессах пищеварения (секретин, гастрин);
в) содержащиеся в α2-глобулярной фракции сыворотки крови (брадикинин, ангиотензин);
г) нейропептиды (рилизинг-факторы гормонов, например нейрофизины I и II гипоталамуса, способствуют выделению гормонов окситоцина и вазопрессина).

3. Сложные белки или протеиды – состоят из двух частей: белковой и небелковой. Небелковую часть называют простетической группой, а белковую часть, утратившую простетическую группу, называют апобелком.

Подробно рассмотрим группу гемопротеидов – это Hb и его производное миоглобин (белок мышечной ткани), хлорофиллсодержащие белки и ферменты (цитохромы b, С, С 1 , каталаза, пероксидаза ). Все они в качестве простетических групп содержат Fe (или Mg)–порфирины, а отличаются белковой частью.

Структуру гема впервые раскрыл Ненцкий, а его синтез провел Фишер.
HbA 1 – основной представитель Hb крови взрослого человека;

Фетальный HbF – в крови новорожденного содержится до 80%, к концу 1-го года жизни он почти полностью заменяется на HbA 1 .

HbA состоит из 4 ППЦ: 2α–субъединиц и 2β–субъединиц. Четыре субъединицы или протомера ППЦ гемоглобина связаны друг с другом гидрофобными взаимодействиями. Молекула гемоглобина диссоциирует на два димера - αβ и α 1 β 1 . Каждый протомер содержит гем, находящийся в гидрофобной «нише», защищающей его от окисления в ферри-форму. Mr ППЦ гемоглобина равна 64458 (64500) Да.

В основе простетической группы Нb лежит протопорфирин, у которогоимеются: в положении 1,3,5,8-СН3– метильный R; в положении 2,4 СН 1 =СН– винильнный R; в положении 6,7 СООН–СН 2 –СН 2 – остатки пропионовой кислоты. Железо, входящее в состав гемоглобина, имеет 2 ковалентные и 4 координационные связи; четыре связи образуют связи с атомами азота, пятая координационная связь присоединяет кислород к гему, шестая – связывает гем и ППЦ.

Структурная организация белков.

Одной из особенностей белков является их сложная структурная организация. Все белки обладают первичной, вторичной и третичной структурой, а те, которые в своем составе имеют две и больше ППЦ обладают и четвертичной структурой (ЧС).

Первичная структура белка (ПСБ) – это порядок чередования (последовательность) аминокислотных остатков в ППЦ.
Даже одинаковые по своей длине и аминокислотному составу белки могут быть разными веществами. Например, из двух аминокислот можно составить 2 разных дипептида:

При числе аминокислот, равном 20, число возможных комбинаций равно 2x10 18 . А если учесть, что в ППЦ каждая аминокислота может встретиться больше 1 раза, то число возможных вариантов трудно поддается подсчету.
Определение первичной структуры белка (ПСБ).
ПСБ белков можно определить с помощью фенилтиогидантоинового метода. Этот метод основан на реакции взаимодействия фенилизотиоцианата (ФИТЦ) с α-АК. В результате образуется комплекс этих двух соединений – ФИТЦ -АК. Например, рассмотрим пептид с целью определения его ПСБ, то есть последовательности соединения аминокислотных остатков.

ФИТЦ взаимодействует с концевой аминокислотой (а). Образуется комплекс ФТГ-а, его отделяют от смеси и определяют подлинность аминокислоты а. Например, это – асн и т.д. Последовательно отделяют и идентифицируют все остальные аминокислоты. Это трудоемкий процесс. Определение ПСБ белка среднего размера занимает несколько месяцев.
Приоритет в расшифровке ПСБ принадлежит Сенджеру (1953), который открыл ПСБ инсулина (Лауреат Нобелевской премии). Молекула инсулина состоит из 2х ППЦ – A и B.

А-цепь состоит из 21 аминокислоты, цепь В – из 30. Между собой ППЦ соединяются дисульфидными мостиками. Число белков, ПСБ которых определена, к настоящему времени достигает 1500. Даже небольшие изменения первичной структуры могут существенно изменить свойства белка. В эритроцитах здоровых людей содержится HbA – при замене в β-цепи HbA, в 6-м положении глу на вал возникает тяжелейшее заболевание серповидно-клеточная анемия, при которой дети, родившиеся с этой аномалией, погибают в раннем возрасте. С другой стороны, возможны варианты изменения ПСБ, которые не сказываются на его физико-химических и биологических свойствах. Например, HbC содержит в 6-м положении b-цепи вместо глу – лиз, HbС почти не отличается по своим свойствам от HbA, а люди, имеющие в эритроцитах такой Hb, практически здоровы.
Стабильность ПСБ обеспечивается в основном прочными ковалентными пептидными связями и, во вторую очередь, дисульфидными связями.

Вторичная структура белка (ВСБ).

ППЦ белков обладают большой гибкостью и приобретают определенную пространственную структуру или конформацию. В белках различают 2 уровня такой конформации – это ВСБ и третичная структура (ТСБ).
ВСБ – это конфигурация ППЦ, то есть способ ее укладки или скручивания в какую-нибудь конформацию, в соответствии с программой, заложенной в ПСБ.

Известны три основных типа ВСБ:
1) α-спираль;
2) β-структура (складчатый слой или складчатый листок);
3) беспорядочный клубок.

α-спираль.

Ее модель предложена В. Полингом. Она наиболее вероятна для глобулярных белков. Для любой системы наиболее устойчивым является состояние, соответствующее минимуму свободной энергии. Для пептидов такое состояние имеет место, когда CO– и NH– группы соединяются между собой слабой водородной связью. В a-спирали NH– группы 1-го аминокислотного остатка взаимодействует с CO–группой 4-ой по счету аминокислотой. В результате пептидный остов образует спираль, на каждый виток которой приходится 3,6 АК-остатка.

Закручивание ППЦ происходит по часовой стрелке, то есть у спирали – правый ход. Через каждые 5 витков (18 АК; 2,7 нм) конфигурация ППЦ повторяется.

Стабилизируется ВСБ в первую очередь водородными связями, и во вторую – пептидными и дисульфидными. Водородные связи в 10-100 раз слабее обычных химических связей; однако за счет их большого количества они обеспечивают определенную жесткость и компактность ВСБ. Боковые R-цепи α-спирали обращены к наружи и расположены по разные стороны от ее оси.

β-структура.

Это складчатые участки ППЦ, по форме напоминающие листок, сложенный в гармошку. Слои ППЦ могут быть параллельными, если обе цепи начинаются с N– или С–конца.
Если смежные цепи в слое ориентированы противоположными концами N–С и С–N, то они называются антипараллельными.

Образование водородных связей происходит, как и в α-спирали, между CO– и NH– группами.

Беспорядочный клубок

Некоторые участки вообще не имеют какой-либо правильной периодической пространственной конфигурации. Их обозначают как беспорядочный клубок, однако такие участки имеют свою фиксированную конформацию, которая определяется аминокислотным составом этого участка, а также ВСБ и ТСБ смежных областей, окружающих беспорядочный клубок. В областях беспорядочного клубка ППЦ могут легко изгибаться и изменять свою конфигурацию, в то время как α-спирали и β-структуры представляют собой довольно жесткие структуры.

Встречаемость α-спирали и β-структуры в различных белках.

Третьичная структура белка (ТСБ).

По форме своих молекул и особенностям пространственной структуры белки делятся на две группы – глобулярные и фибриллярные белки.
Форма глобулярных белков близка к сферической или эллипсоидной, короткая и длинная ось которых может относиться как 1:50. Фибриллы белков более удлиненной формы. Такой белок может образовывать многомолекулярные нитевидные агрегаты – фибриллы. Фибриллярные белки выполняяют в основном опорную функцию. Функции глобулярных белков более разнообразны. ТС глобулярных белков образуется путем дополнительного скручивания ППЦ, содержащей α-спираль, β-структуру и беспорядочные клубки. ТСБ образуется, главным образом за счет взаимодействия R, основную роль при этом играют дисульфидные связи, слабые водородные, ионные связи и особенно гидрофобные.

Дисульфидные связи приводят к тому, что удаленные друг от друга области ППЦ сближаются и образуют фиксированные петли.

Гидрофобные взаимодействия осуществляются за счет сближения R аминокислот с молекулой воды. Неполярные гидрофобные R, отталкиваясь от водного окружения, как бы втягиваются внутрь белковой молекулы, образуя там так называемые «сухие зоны». А гидрофильные R обращены к наружи образующейся глобулы и ориентированы в сторону воды. Все образующиеся химические связи определены аминокислотным составом и их чередованием в ППЦ.

Таким образом, ТСБ – это компактное расположение или упаковка в пространстве одной или нескольких ППЦ в определенном объеме.

Все биологические свойства белковой молекулы связаны с сохранностью их ТС, которая называется нативной конфигурацией белка.

Глобулярная молекула (глобула) не является абсолютно жесткой структурой. Небольшие изменения конфигурации белковых молекул происходят как внутри самой молекулы (как бы пульсация), так и при взаимодействии с другими молекулами и напоминает изменение формы резинового мяча при надавливании.

Денатурация и ренативация белка

При разрыве большого числа связей, стабилизирующих белковую молекулу, уникальная для каждого белка конформация нарушается. Такое изменение называется денатурацией . Ее можно вызвать при нагревании белка до 60-80 o С и действии других агентов – детергентов , то есть щелочей, кислот, мочевины, спиртов и т.д. При денатурации растворимость белков ухудшается. Часто белок сворачивается. При денатурации утрачивается биологическая активность белков. В определенных условиях (медленное охлаждение денатурированного нагреванием белка, промывание раствора белка и вымывание из него детергентов) возможна ренативация (ренатурация) , то есть восстановление исходной нативной конформации белка.

Четвертичная структура белка(ЧСБ).

Многие белки построены из 2 и более ППЦ, например гексокиназа содержит 2 ППЦ, HbA – 4 ППЦ, ферритин – 24.
Цепи соединяются между собой нековалентными связями. Например, основной белок эритроцитов Hb состоит из 4-х цепей: 2α и 2β. При сравнительно небольших изменениях окружающей среды Hb может диссоциировать на димеры, затем на мономеры (или протомеры) .

Димеры и протомеры называются субъединицами . Протомеры – это наименьшие субъединицы. Белки, молекулы которых построены из нескольких ППЦ, называются олигомерами или олигобелками.

Количество протомеров, способ их соединения и пространственной укладки относительно друг друга называются ЧСБ.

Белки с Mr больше 50 тыс. Да почти всегда являются олигомерными. ЧСБ является такой специфической уникальной характеристикой данного белка, как и другие уровни структурной организации. При соединении друг с другом протомеры взаимодействуют не любой поверхностью, а определенным участком – контактной поверхностью. Если на одной ППЦ (субъединице) имеется выступ, то на другой в соответственном месте имеется углубление. При этом совпадают разноименно заряженные ионные группы, группы, образованные водородной связью, гидрофобные и гидрофильные участки. Такие участки называются комплементарными . Они подходят друг к другу как ключ к замку. Процесс самосборки олигомерных белков отличается высокой специфичностью. Например , если в растворе наряду с протомерами Hb есть и другие белки, они не образуют соединений с Hb. Чаще всего отдельные субъединицы не обладают биологической активностью, белки приобретают эту способность при соединении протомеров в олигомер.

Гемоглобинозы

Биологическая активность белков находится в прямой зависимости от сохранности ПСБ. При замене хотя бы одной аминокислоты могут возникнуть различные патологии. Например, при даже незначительных изменениях в ППЦ Hb возникают аномальные гемоглобинозы. Их около 200. Гемоглобинозы делятся на две основные группы:

1) гемоглобинопатии;
2) талассемии.

Гемоглобинопатии – в их основе наследственное изменение структуры какой-либо цепи Hb. Например, серповидно-клеточная анемия (в основном в странах Южной Америки, Африки, Юго-Восточной Азии). Эритроциты в условиях низкого парциального давления принимают форму серпа. HbS после отдачи О 2 (Полинг и авт.) превращается в плохо растворимую и выпадает в осадок в виде веретенообразных кристаллов, которые деформируют клетку и приводят к массивному гемолизу. Болезнь протекает остро и дети погибают в раннем возрасте. Причиной данной патологии является мутация в молекуле ДНК, кодирующей синтез β-цепи Hb, где происходит замена только 1-ой аминокислоты – глу на вал в 6-м положении. Ежегодно погибает около 1 млн. человек.

Талассемии – в основе – генетическое нарушение синтеза какой либо ППЦ Hb. При нарушении синтеза β-цепи возникают β-талассемии. Наряду с HbА 1 обр. до 15% HbА 2 и до 60% HbF – происходит гиперплазия и разрушение костного мозга, поражение печени, селезенки, деформация черепа, тяжелая гемолитическая анемия. Эритроциты приобретают форму мишени.