Back to chapter

21.8:

Белок и белковая структура

JoVE Core
Chemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Chemistry
Protein and Protein Structure

Languages

Share

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.

21.8:

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 Openstax, Biology 2e, Глава 3.4: Белки.

Suggested Reading

  1. Nelson, D. L., & Cox, M. M. (2008). Lehninger principles of biochemistry (5th ed.). W.H. Freeman. Pg 113-140
  2. Crystal Structure of T State Haemoglobin with Oxygen Bound at All Four Haems.Paoli, M., Liddington, R., Tame, J., Wilkinson, A., Dodson, G. (1996) J Mol Biol 256: 775