Name: how protein shape controls function
Uploaded: 2020-09-24T15:06:53.000Z
Duration: 2 min 15 s
Channel: JoVE

Белки это полимеры аминокислот, связанных друг с другом пептидными связями. Большинство белков складываются в определенные трехмерные структуры для выполнения своих функций. Структура белка подразделяется на четыре категории:первичная, вторичная, третичная и четвертичная.Линейная последовательность аминокислот в белке это его первичная структура. Эти последовательности читаются в порядке синтеза полимера, от N-конца свободного амино-конца до С-конца свободного карбоксильного конца. Вторичные структуры образуются за счет водородных связей между кислородом карбонильной группы одной аминокислоты и водородом аминогруппы другой.Обычные вторичные структуры включают в себя альфа-спирали и бета-складчатые листы. Эти и другие соединительные структуры, такие как бета-витки, в дальнейшем взаимодействуют с образованием трехмерной структуры белка, известной как третичная структура. Формирование третичной структуры происходит за счет взаимодействий между R-группами аминокислот.R-группы с противоположными зарядами могут образовывать ионные связи, а сера в двух цистеинах может образовывать ковалентный дисульфидный мостик. Другие факторы включают гидрофобные взаимодействия между гидрофобными боковыми цепями и водородные связи между полярными боковыми цепями. Кроме того, некоторые белки образуют четвертичные структуры, сборки из двух или более полипептидных цепей.Например, гемоглобин это белок, состоящий из четырех субъединиц:двух альфа и двух бета. Ученые могут использовать структуру белка, чтобы предсказать его функцию и расположение в клетке. Белки в цитоплазме клетки имеют на своей поверхности гидрофильные аминокислоты, которые взаимодействуют с водой в цитоплазме и имеют гидрофобные ядра.Напротив, белки, присутствующие в клеточных мембранах, часто имеют на поверхности гидрофобные аминокислоты, которые взаимодействуют с с глицерофосфолипидами в мембране и имеют гидрофильные ядра.

<ol>
	<li>Нельсон, Д. Л., и Кокс, М. М. (2008). Принципы биохимии Ленингера (5-е изд.). У.Х. Фримен. стр. 113-140</li>
	<li>Кристаллическая структура гемоглобина Т-состояния со связанным кислородом на всех четырех гемах.Paoli, M., Liddington, R., Tame, J., Wilkinson, A., Dodson, G. (1996) J Mol Biol 256: 775</li>
</ol>

Белок и белковая структура

Белки являются одними из самых обильных органических молекул в живых системах и обладают самым разнообразным диапазоном функций всех макромолекул. Белки могут быть структурными, регулятивными, а также быть более или более защитными. Они могут служить в транспорте, хранении или мембранах, или они могут быть токсинами или ферментами. Их структуры, как и их функции, сильно различаются. Все они, однако, аминокислотные полимеры, расположенные в линейной последовательности. 
 Форма белка имеет решающее значение для его функции. Например, фермент может связывать определенный субстрат на своем активном участке. Если этот активный участок был изменен из-за местных изменений или изменений в общей структуре белка, фермент может оказаться не в состоянии связать с субстратом. Чтобы понять, как белок приобретает окончательную форму или конформация, нам необходимо понять четыре уровня структуры белка: Первичный, вторичный, третичный и четвертичный. 
 Основная структура 
 Уникальная последовательность аминокислот в полипептидной цепи является ее основной структурой. Например, инсулин гормона поджелудочной железы имеет две полипептидные цепи, А и в, и они связаны между собой дисульфидными связями. Аминокислота клеммы N цепи A является глицином, в то время как аминокислота клеммы C является спаржей.  Аминокислотные последовательности в цепях A и B уникальны для инсулина. 
 Ген, кодирующий белок, в конечном счете определяет уникальную последовательность каждого белка. Изменение нуклеотидной последовательности области кодирования гена может привести к добавлению другой аминокислоты в растущую цепь полипептидов, что вызовет изменение структуры и функции белка. При серповидной клеточной анемии цепь гемоглобина β имеет одну аминокислотную замену, что вызывает изменение структуры и функции белка. В частности, валин в цепи β заменяет аминокислотную глутаминовую кислоту. Из-за этой смены одной аминокислоты в цепи молекулы гемоглобина образуют длинные волокна, которые искажают биконave, или дисковые, красные кровяные клетки и вызывают у них полумесяц или “серп”, что засоряет кровеносные сосуды. Это может привести к многочисленным серьезным проблемам со здоровьем, таким как дыхание, головокружение, головные боли и боль в животе для тех, кто поражен этой болезнью. 
 Вторичная структура 
 Локальное свертывание полипептида в некоторых регионах приводит к возникновению вторичной структуры белка. Наиболее распространены β-геликоид и α-гофрированные листовые структуры. Обе конструкции удерживаются в форме водородными связями. Водородные связи образуются между атомом кислорода в карбонильной группе в одной аминокислоте и другой аминокислотой, которая является четырьмя аминокислотами дальше по цепи. 
 Каждый спиральный поворот в альфа-спиральной спирали имеет 3.6 аминокислотных остатков. Группы R полипептида (группы вариантов) выступают из цепи α-геликоида. В β-гофрированной оболоке водородное соединение между атомами на магистральной линии полипептида образует «плеэты». Группы R прикреплены к углеродам и выдвигаются выше и ниже складков гофр. Гофрированные сегменты выравниваются параллельно или антипараллельно друг другу, а водородные связи образуют между частично положительным атомом водорода в аминогруппе и частично отрицательным атомом кислорода в карбонильной группе пептидной магистрали. α-геликоид и β-гофрированные листовые структуры находятся в большинстве глобулярных и волокнистых белков, и они играют важную структурную роль. 
 Третичная структура 
 Уникальная трехмерная структура полипептида - это его третичная структура. Эта структура частично обусловлена химическим взаимодействием при работе над полипептидной цепью. В первую очередь, взаимодействия между группами R создают сложную трехмерную третичную структуру белка. Природа R-групп в задействованных аминокислотах может противодействовать формированию водородных связей, которые мы описали для стандартных вторичных структур. Например, группы R с похожими обвинениями отталкиваются друг от друга, а те, у кого нет обвинений, притягиваются друг к другу (ионные связи). Когда происходит свертывание белков, гидрофобные R-группы неполярных аминокислот лежат внутри протеина, тогда как гидрофильные R-группы лежат снаружи. Взаимодействия между боковыми цепями цистеина образуют дисульфидные связи при наличии кислорода, единственной ковалентной связи, образующейся при складывании белка. 
 Все эти взаимодействия, слабые и сильные, определяют окончательную трехмерную форму белка. Когда белок теряет трехмерную форму, он может больше не работать. 
 Четвертичное структура 
 В природе некоторые белки образуют из нескольких полипептидов, или подединиц, и взаимодействие этих подединиц образует четвертичное строение. Слабые взаимодействия между подразделениями помогают стабилизировать общую структуру. Например, инсулин (глобулярный белок) имеет сочетание водородных и дисульфидных связей, которые в основном приводят к образованию мяча. Инсулин начинается как единичный полипептид и теряет некоторые внутренние последовательности при наличии пост-поступательной модификации после формирования дисульфидных связей, которые удерживают остальные цепи вместе. Шелк (волокнистый белок), однако, имеет структуру β-гофрированного листа, которая является результатом водородного соединения между различными цепями. 
 Этот текст был адаптирован из<a href="https://openstax.org/books/biology-2e/pages/3-4-proteins"> Openstax, Biology 2e, Глава 3.4: Белки</a>.

Белки являются одними из самых распространенных органических молекул в живых системах и обладают самым разнообразным спектром функций из всех макромолекул. Белки могут ...

Education

JoVE Core

Chemistry

Химия

Один

Biochemistry

Биохимия

KEY TERMS AND CONCEPTS

ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ПОНЯТИЯ

Protein and Protein Structure

how protein shape controls function

Proteins are a major class of organic molecules in living systems, and their shape helps determine what they do. They can act as structural, regulatory, contractile, or protective molecules. They also take part in transport, storage, membranes, toxins, and enzymes. All proteins are polymers of amino acids arranged in a linear sequence.

A protein’s function depends on its three-dimensional form. For example, an enzyme works when its active site can bind a specific substrate. If local changes or larger changes in protein structure alter that site, the enzyme may no longer bind the substrate. To understand how a protein reaches its final conformation, it helps to study four levels of structure: primary, secondary, tertiary, and quaternary.

Primary structure is the unique amino acid sequence of a polypeptide chain. In insulin, the pancreatic hormone, there are two polypeptide chains, A and B, held together by disulfide bonds. The A chain begins with glycine at the N terminus and ends with asparagine at the C terminus. The gene that encodes a protein determines this sequence, so a change in the coding region can add a different amino acid and change protein structure and function. Sickle cell anemia shows this clearly. In the hemoglobin beta chain, valine replaces glutamic acid, and that single change leads hemoglobin to form long fibers that distort red blood cells into a sickle shape and clog blood vessels. This can cause breathlessness, dizziness, headaches, and abdominal pain.

Secondary structure comes from local folding in parts of the polypeptide chain. The most common forms are the alpha helix and the beta-pleated sheet. Hydrogen bonds hold both forms in place. These bonds form between the oxygen in a carbonyl group on one amino acid and another amino acid four positions farther along the chain. In an alpha helix, each turn contains 3.6 amino acid residues, and the R groups point outward. In a beta-pleated sheet, hydrogen bonds form along the backbone to create pleats. The R groups extend above and below the folds, and the strands can align parallel or antiparallel. These structures are common in globular and fibrous proteins, where they provide support.

Tertiary structure is the full three-dimensional shape of one polypeptide. Interactions among R groups are the main force behind this folding. Like charges repel, unlike charges attract through ionic bonds, and hydrophobic R groups tend to move into the protein interior while hydrophilic R groups stay outside. Cysteine side chains can also form disulfide linkages in the presence of oxygen, and this is the only covalent bond formed during protein folding. Together, these weak and strong interactions set the final shape. If a protein loses that shape, it may no longer work.

Some proteins also form quaternary structure. This happens when several polypeptide subunits join together. Weak interactions between the subunits help stabilize the overall protein. Insulin is one example of a globular protein with hydrogen and disulfide bonds that help it form a mostly ball-like shape. It begins as a single polypeptide and then loses some internal sequences during post-translational modification after the disulfide linkages form and hold the remaining chains together. Silk is another example, but it is a fibrous protein with a beta-pleated sheet structure created by hydrogen bonding between different chains.

How Protein Shape Controls Function

functional groups

Functional Groups in Organic Chemistry

Functional groups in organic chemistry are groups of atoms that give molecules specific properties. When these groups attach to a carbon skeleton, they can change how the molecule behaves. Some functional groups make a molecule hydrophilic, or water-attracting. Others make it hydrophobic, or water-repelling. Functional groups are a key part of organic chemistry and are also found in major biological molecules. They appear in carbohydrates, proteins, lipids, and nucleic acids. Each functional...

structure of lipids

Lipids, Fats, and Cell Membranes

Lipids are nonpolar molecules that do not mix well with water. They are hydrophobic, which means “water fearing,” because they contain mostly nonpolar carbon-carbon and carbon-hydrogen bonds. In cells, lipids store long-term energy as fats, help insulate plants and animals, and form protective water-repellent layers on feathers and fur. They are also part of cell membranes and serve as building blocks for many hormones. Common lipids include fats, oils, waxes, phospholipids, and steroids. A...

chemistry of the cell

Cell Chemistry: Water and Macromolecules

Cell chemistry includes water, organic molecules, and inorganic ions. These materials shape how cells store energy, build structures, and carry out life processes. Most cellular chemistry and metabolism happen in the watery cytoplasm. Water is a key part of the cell because it has special properties tied to its polarity. In a water molecule, hydrogen and oxygen form polar covalent bonds, so the molecule has no net charge but does have a slightly positive end and a slightly negative end. Oxygen...

dna base pairing

Chargaff’s Rules and DNA Pairing

Chargaff’s rules and DNA base pairing explain how DNA strands match up. In double-stranded DNA, adenine (A) pairs with thymine (T), and guanine (G) pairs with cytosine (C). Chargaff also found that A equals T, G equals C, and the total amount of purines (A and G) equals the total amount of pyrimidines (C and T). Watson and Crick later showed why these matches matter. A forms two hydrogen bonds with T, while G forms three hydrogen bonds with C. These pairings keep the DNA double helix a...

chemistry of carbohydrates

Carbohydrates as Energy and Storage Molecules

Carbohydrates are important energy sources in human and animal diets. Grains, fruits, and vegetables are natural sources of carbohydrates. They help provide energy to the body, especially through glucose, a simple sugar found in starch and many staple foods. Carbohydrates are identified by the stoichiometric formula (CH2O)n, where n is the number of carbons in the molecule. This means the ratio of carbon to hydrogen to oxygen is usually 1:2:1. The name carbohydrate comes from this pattern,...

protein and protein structure

Proteins are a major class of organic molecules in living systems, and their shape helps determine what they do. They can act as structural, regulatory, contractile, or protective molecules. They also take part in transport, storage, membranes, toxins, and enzymes. All proteins are polymers of amino acids arranged in a linear sequence. A protein’s function depends on its three-dimensional form. For example, an enzyme works when its active site can bind a specific substrate. If local changes or...

amino acids

Amino Acids and Protein Building

Amino acids are the building blocks of proteins. Each amino acid has the same basic structure. A central carbon atom, called the alpha carbon, is bonded to an amino group, a carboxyl group, and a hydrogen atom. Each amino acid also has an R group, or side chain, attached to the central carbon. The R group is different for every amino acid. It helps determine whether an amino acid is acidic, basic, polar, or nonpolar. Scientists call these molecules amino acids because they contain both amino...

peptide bonds

Peptide Bond Formation and Shape

Peptide bonds join amino acids into peptides and polypeptides. They form when the carboxyl group of one amino acid reacts with the amino group of another. This dehydration reaction releases a water molecule and creates a covalent link. As more amino acids are added, the chain becomes a polypeptide. Each polypeptide has a free amino group at one end. This end is the N-terminal, or amino-terminal. The other end has a free carboxyl group. This end is the C-terminal, or carboxyl-terminal. The...

nucleic acids

DNA and RNA: Genetic Instructions

DNA and RNA are the nucleic acids that store genetic information and help direct cell activity. These macromolecules carry the cell’s genetic blueprint and the instructions it uses to function. DNA is the genetic material in all living organisms, from single-celled bacteria to multicellular mammals. In eukaryotic cells, DNA is found in the nucleus and also in organelles such as chloroplasts and mitochondria. In prokaryotes, DNA is not enclosed in a membrane. The full genetic content of a cell...

dna replication

DNA Copying: Leading and Lagging Strands

DNA replication copies genetic material before a cell divides. Each original DNA strand serves as a template for a new complementary strand. The result is semiconservative replication, which means each new DNA molecule contains one old strand and one new strand. The two daughter cells then receive DNA with the same sequence. Replication starts when helicase separates the two strands of the double helix. This creates a Y-shaped replication fork. Primase then adds short RNA primers that give DNA...

from dna to protein

The Genetic Code and Codons

The genetic code and codons explain how cells turn DNA information into proteins. Genes first direct the sequence of mRNA, and mRNA then directs the sequence of amino acids that make up proteins. Specific proteins and RNAs carry out this decoding. Cells copy DNA into mRNA so the original DNA stays protected while the cell uses the message for protein synthesis. Copying DNA to RNA is relatively simple. One nucleotide is added to the mRNA strand for every nucleotide read on the DNA strand.

polymers

Polymer Chains and How They Form

Polymers are long chains of molecules made from repeating units called monomers. The word polymer comes from the Greek words "poly," meaning many, and "mer," meaning parts. Polymers can be found in nature, such as DNA and proteins, or made synthetically, such as plastics. A polymer’s shape helps define its properties. Some polymers form linear chains, while others are branched or arranged in complex networks. Functional groups on a polymer also affect how it behaves. The repeating units in a...

key terms and concepts

Explore how amino acid sequence, folding, and subunit interactions shape proteins. Learn the four levels of protein structure with insulin and sickle cell examples.

How Protein Shape Controls Function | JoVE K12

chemistry

JoVE Core Chemistry brings general chemistry concepts to life using concise and easy-to-understand animated video lessons. Plus, in the scientist-in-action videos, we demonstrate classical and original research experiments performed in today's laboratories worldwide.

How Protein Shape Controls Function

Description

Transcript