Первинна структура білка. Первинна структура білків

Будова білка може бути представлена ​​одним із чотирьох варіантів. Кожен варіант має власними особливостями. Так, існує четвертинна, трійкова, вторинна та первинна

Останній у цьому списку рівень являє собою лінійний поліпептидний ланцюг з амінокислот. Амінокислоти поєднуються один з одним пептидними зв'язками. Первинна є найпростішим рівнем організації молекули. За допомогою ковалентних пептидних зв'язків між альфа-аміногрупою в одній амінокислоті та альфа-карбоксильною групою в іншій забезпечується висока стабільність молекули.

При формуванні клітин пептидних зв'язків активується спочатку карбоксильная група. Після цього відбувається з'єднання з аміногрупою. Приблизно також здійснюється поліпептидний лабораторний синтез.

Пептидна зв'язок, що являє собою фрагмент, що повторюється полі пептидного ланцюга, має низку особливостей. Під впливом цих особливостей як формується первинна структура білка. Вони впливають і на найвищі організаційні рівні поліпептидного ланцюга. Серед основних відмінних рисвиділяють копланарність (здатність всіх атомів, які входять у пептидну групу, перебувати в одній площині), трансположення замісників щодо С-N-зв'язку, властивість існувати у 2-х резонансних формах. До особливостей пептидного зв'язку відносять здатність до формування водневих зв'язків. При цьому від кожної пептидної групи може утворюватися по дві водневі зв'язкиз іншими групами (пептидними, в тому числі). Проте є винятки. До них відносять пептидні групи з аміногруп гідроксипроліну або проліну. Вони можуть формувати тільки одну Це впливає на утворення вторинної білкової структури. Так, на ділянці, де розташовується гідроксипролін або пролін, пептидний ланцюг легко згинається, у зв'язку з тим, що немає другого водневого зв'язку, який утримував його (як зазвичай).

Назва пептидів формується з назв амінокислот, що входять до них. Дипептид дають дві амінокислоти, трипептид – три, тетрапептид – чотири і так далі. У кожному поліпептидному ланцюгу (або пептиді) будь-якої довжини присутня N-кінцева амінокислота, в якій міститься вільна аміногрупа, і С-кінцева амінокислота, в якій є вільна карбоксильна група.

Властивості білків.

Під час вивчення цих сполук учених цікавило кілька питань. Дослідники насамперед прагнули з'ясувати розміри, визначити форму та масу молекул білків. Слід зазначити, що це було достатньо складні завдання. Складність полягала в тому, що визначення збільшення розчинів білків (як це здійснюється у інших речовин) неможливе, через те, що білкові розчини кип'ятити не можна. А визначення показника відповідно до зниження температури замерзання результати дає неточні. Крім того, білки в чистому виглядініколи не трапляються. Однак за допомогою розроблених методів було встановлено, що коливається від 14 до 45 тисяч і більше.

Однією з важливих характеристиксполук є фракційне висолення. Цей процес є виділенням білків з розчинів після додавання соляних розчинів з різними концентраціями.

Ще однією важливою характеристикою є денатурація. Цей процес відбувається при осадженні важких металів білків. Денатурація є втратою натуральних властивостей. Цей процес передбачає різні перетворення молекули, крім розриву поліпептидного ланцюга. Інакше кажучи, первинна структура білка при денатурації залишається незмінною.

Білки (протеїни) – це високомолекулярні полімерні сполуки пептидної природи (полігетероамінокислоти).

Первинна структурабілків - це послідовність чергування амінокислотних залишків поліпептидної ланцюга (ППЦ) .

Первинна структура білків є ковалентноїструктурою, оскільки в її основі лежить пептидназв'язок між a-аміно-і a-карбоксильними групами амінокислот. Внаслідок цього поліпептидні ланцюги мають нерозгалужений характер.

Скелет (хребет, кістяк) поліпептидного ланцюга складається з регулярно повторюваних структурних елементів

Поліпептидна ланцюг має векторність, напрям ланцюга від N-кінця (початок ланцюга) до C-кінця (кінець ланцюга), N-кінець - це кінець, на якому знаходиться вільна a-аміногрупа. C-кінець - це кінець, на якому знаходиться вільна a-карбоксильна група. Амінокислотна послідовність білків позначається, починаючи з N-кінця, з використанням трилітерних скорочених назв амінокислот, наприклад: гли-ала-цис-про. Може бути використане і однолітерне позначення амінокислотних залишків у білку.

N- та C-кінці у складі білків можуть бути модифіковані. Аміногрупа на N-кінці може бути ацетильована, формована або метильована. У ряді білків N-кінцевим є залишок піролідонкарбонату (піроглутамату), що не містить вільної аміногрупи. C-кінець може бути амідований. Модифікації C-кінця більш рідкісні порівняно з N-кінцевими модифікаціями.

p align="justify"> Коефіцієнт поліконденсації білків варіює в діапазоні від 50 до 2500. Зазвичай білок містить 100-300 амінокислотних залишків. Оскільки середня молекулярна маса одного амінокислотного залишку становить близько 110 Так, молекулярна маса білків варіює в діапазоні від 6000 до мільйонів Так.

Кожен індивідуальний білок має унікальну первинну структуру. Першим білком, чия первинна структура було встановлено, з'явився інсулін. Це вдалося зробити Сенгер. Його стратегія полягала у наступному. Спочатку він розділив два поліпептидні ланцюги і далі провів їх специфічне ферментативне розщеплення на невеликі пептиди, що містять послідовності, що перекриваються. Потім, використовуючи 1-фтор-2,4-динитробензол, ідентифікував N-кінцеві залишки. Крім того, він визначив амінокислотний склад пептидів і в результаті зміг встановити їх структуру, порівнюючи послідовності пептидів, що перекриваються. Загалом стратегія Сенгера зберегла своє значення донині. Проте було запропоновано й інші підходи. Едманом розроблено метод автоматичної процедури послідовного відщеплення та ідентифікації N-кінцевих амінокислотних залишків. Для розшифрування первинної структури можна використати рентгеноструктурний аналіз. Послідовність амінокислотних залишків може бути визначена за нуклеотидною послідовністю матричної РНК.

В даний час встановлено первинну структуру понад 2000 білків. Теоретично число різних варіантівпервинної структури білків безмежно. Навіть для поліпептиду з 20 різних амінокислот, число можливих послідовностей становить 2010 18 . У живій природі реалізується лише незначна частка можливих послідовностей, загальна кількість яких у всіх видів живих організмів оцінюється величиною 1010-1012.

Первинна структура білків генетично детермінована, тобто. послідовність амінокислот у білку визначається послідовністю нуклеотидів у ДНК. Спотворення послідовності нуклеотидів ДНК призводять до виникнення аномальних білків зі зміненими біологічними властивостямищо є причиною молекулярної патології. Зокрема, причиною серповидноклітинної анемії є точкова мутація гена, що контролює b-ланцюг гемоглобіну. Наслідком цього є заміна в 6-му положенні b-ланцюга залишку глутамату на валін. Така заміна призводить до втрати одного негативного заряду в кожному з двох b-ланцюгів, що призводить до зміни конформації гемоглобіну та втрати його біологічної функції.

Гомологічними білками називаються білки, що виконують у різних видіводнакові функції. Прикладом може служити гемоглобін: у всіх хребетних він виконує ту саму функцію, пов'язану з транспортом кисню. Гомологічні білки характеризуються наявністю в багатьох положеннях тих самих амінокислот. Як виявилося, число амінокислотних залишків, якими розрізняються гомологічні білки пропорційно філогенетичному відмінності між цими видами. Наприклад, молекули цитохромів С коня та дріжджів розрізняються по 48 амінокислотних залишках, тоді як ті ж молекули курки та качки – тільки по 2 залишках. Що стосується цитохромів С курки та індички, то вони мають ідентичні амінокислотні послідовності. Відомості про кількість відмінностей в амінокислотних послідовностях гомологічних білків з різних видів використовують для побудови еволюційних карт, що відображають послідовні етапи виникнення та розвитку різних видівтварин та рослин у процесі еволюції.

Перший етап у визначенні первинної структури білків полягає у якісній та кількісній оцінці амінокислотного складуцього індивідуального білка.

Кислотний гідроліз білка

Для визначення амінокислотного складу необхідно провести руйнування всіх пептидних зв'язків у білку. Аналізований білок гідролізують 6 мол/л НС1 при температурі близько 110 °С протягом 24 год. В результаті руйнуються пептидні зв'язкиу білку, а в гідролізаті присутні лише вільні амінокислоти

Поділ амінокислот за допомогою іонообмінної хроматографії Суміш амінокислот, отриманих кислотним гідролізом білків, поділяють у колонці з катіонообмінною смолою.

Кількісний аналіз одержаних фракцій. нагрівають окремі фракції амінокислот з нінгідрином, що утворює з'єднання червоно-фіолетового кольору. Інтенсивність забарвлення в пробі пропорційна кількості амінокислоти, що знаходиться в ній.

2. Визначення амінокислотної послідовності у білку

Визначення N-кінцевої амінокислоти в білку та послідовності амінокислот в олігопептидах.

Вивчення первинної структури білків має важливе загальнобіологічне та медичне значення. Вивчаючи порядок чергування амінокислотних залишків в індивідуальних, можна виявити загальні фундаментальні закономірності формування просторової структури білків. Багато генетичних хвороб - результат порушення в амінокислотній послідовності білків. Інформація про первинну структуру нормального та мутантного білка може бути корисною для діагностики та прогнозування розвитку захворювання.

Встановлення первинної структури білків включає 2 основні етапи:

визначення амінокислотного складу білка, що досліджується;

амінокислотної послідовності у білку.

Наприклад, при серповидноклітинній анемії в шостому положенні β-ланцюга гемоглобіну відбувається заміна глутамінової кислотина валін. Це призводить до синтезу гемоглобіну S ( HbS) – такого гемоглобіну, який у дезоксиформеполімеризується та утворює кристали. В результаті еритроцити деформуються, набувають форми серпу, втрачають еластичність і при проходженні через капіляри руйнуються. Це в результаті призводить до зниження оксигенації тканин та їх некрозу.

Послідовність та співвідношення амінокислот у первинній структурі визначає формування вторинної, третинноїі четвертинноїструктур.

8 . Вторинна структура білка-просторова структура, що утворюється в результаті взаємодій між функціональними групами, що входять до складу пептидного кістяка.регулярні структури двох типів: а-спіраль і б-структура.

Вторинна структура утворюється тільки за участю водневих зв'язківміж пептидними групами: атом кисню однієї групи реагує з атомом водню другої, одночасно кисень другої пептидної групи зв'язується з воднем третьої тощо.

α-Спіраль

пептидний кістяк закручується у вигляді спіралі за рахунок утворення водневих зв'язків між атомами кисню карбонільних груп та атомами азоту аміногруп. Водневі зв'язки спрямовані вздовж осі спіралі. На один виток а-спіралі припадає 3,6 амінокислотних залишків.

У освіті водневих зв'язків беруть участь практично всі атоми кисню та водню пептидних груп. В результаті спіраль "стягується" безліччю водневих зв'язків. зв'язки відносять до слабких, їх кількість забезпечує максимально можливу стабільність спіралі. гідрофільність?-спіралей зменшується, а їхня гідрофобність збільшується.

Спіральна структура - найбільш стійка конформація пептидного кістяка, що відповідає мінімуму вільної енергії. В результаті утворення?-спіралей поліпептидний ланцюг коротшає.

Радикали амінокислот знаходяться на зовнішній стороні ?-спіралі і спрямовані від пептидного кістяка в сторони деякі з них можуть порушувати формування ?-спіралі. До них відносять:

пролін. Його атом азоту входить до складу жорсткого кільця, що унеможливлює обертання навколо -N-CH- зв'язку. Крім того, атом азоту пролитий, що утворює пептидний зв'язок з іншою амінокислотою, не має атома водню. В результаті пролін не здатний утворити водневий зв'язок в даному місці пептидного кістяка, і спіральна структура порушується. Зазвичай тут пептидної ланцюга виникає петля чи вигин;

ділянки, де послідовно розташовані кілька однаково заряджених радикалів, між якими виникають електростатичні сили відштовхування;

ділянки з близько розташованими об'ємними радикалами, що механічно порушують формування?-спіралі, наприклад метіонін, триптофан

β-Складчастий шар Структура формується за рахунок утворення безлічі водневих зв'язків між атомами пептидних груп лінійних областей одного поліпептидного ланцюга, що робить вигини, або між різними поліпептидними ланцюгами, ?-Структура утворює фігуру, подібну до листа, складеного "гармошкою" Коли водневі зв'язки утворюються ланцюгів, їх називають міжланцюжковими зв'язками. Водневі зв'язки, що виникають між лінійними ділянками всередині одного поліпептидного ланцюга, називають внутрішньоланцюжковими. В?-структурах водневі зв'язки розташовані перпендикулярно до поліпептидного ланцюга.

Якщо пов'язані поліпептидні ланцюги спрямовані протилежно, виникає антипаралельна?-структура, якщо ж N- і С-кінці поліпептидних ланцюгів збігаються, утворюється структура паралельного?-складчастог

9. Третинна структура- це укладання поліпептидного ланцюга в глобулу ("клубок"). Чіткої межі між вторинною та третинною структурами провести не можна, в основі третинної структури лежать стеричні взаємозв'язки між амінокислотами, що віддаляються далеко один від одного в ланцюзі. Завдяки третинній структурі відбувається ще компактніше формування ланцюга. У стабілізації третинної структури білка беруть участь:

ковалентні зв'язки (між двома залишками цистеїну-дисульфідні містки);

іонні зв'язки між протилежно зарядженими бічними групами амінокислотних залишків;

водневі зв'язки;

гідрофільно-гідрофобні взаємодії. При взаємодії з навколишніми молекулами води білкова молекула «прагне» звернутися так, щоб неполярні бічні групи амінокислот виявилися ізольованими від водного розчину; на поверхні молекули виявляються полярнігідрофільнібічні групи.

Зв'язок із первинною структурою.Третинна структура значною мірою зумовлена ​​первинною структурою. Зусилля щодо передбачення третинної структури білка ґрунтуючись на первинній структурі відома як завдання передбачення структури білка. Однак, навколишнє середовище, в якому білок згортається, суттєво визначає кінцеву форму, але зазвичай безпосередньо не береться до уваги поточними методами передбачення. Більшість таких методів покладаються на порівняння з вже відомими структурами, і таким чином включають навколишнє середовище побічно. Супервторинна структура білків. порівняння конформацій різних за структурою та функціями білків виявило наявність у них схожих поєднань елементів вторинної структури. Такий специфічний порядок формування вторинних структур називають супервторинною структурою білків. Вона формується рахунок міжрадикальних взаємодій. Певні характерні поєднання аспіралей і б-структур часто позначають як "структурні мотиви".