Белки- строение

В ходе многочисленных исследований, история которых начинается с первого десятилетия XIX века, было установлено, что белковая молекула представляет собой линейный полимер, построенный из аминокислот, соединенных между собой валентными амидными связями (пептидными связями).

Изученные к настоящему времени белки, согласно предложенной У.Астбэри классификации [ Astbury WT et al,1935 ], можно разделить на два больших класса по способности принимать в растворе определенную геометрическую форму: фибриллярные (вытянyтые в нить) и глобулярные (свернутые в клубок), каждый из которых подразделяется на несколько групп.

Многие белки, как фибриллярные, так и глобулярные, обладают способностью образовывать прочные комплексы определенной стехиометрии, компоненты которых удерживаются вместе нековалентными силами. Говоря о строении белка, различают:

первичную структуру - последовательность аминокислот, прочитываемую, начиная от С-конца молекулы, в направлении к N-концу,

вторичную структуру - наличие и локализацию альфа-спиральных участков цепи и участков, сложеных в бэта-структуры,

третичную структуру (пространственная структура) - взаимное расположение аминокислотных остатков молекулы белка в пространстве и

четвертичную структуру - компонентный состав, стехиометрию и взаимную ориентацию субъединиц комплекса, в том случае, когда молекулы белка обладают способностью к его образованию.

Согласно современным представлениям первичная структура белковой молекулы практически однозначно определяет то, как сложится полипептидная цепочка в пространственную структуру (ее фолдинг) [ ххх ] и, по-видимому, также определяет комплексообразование белковых молекул, т.е. вторичную, третичную и четвертичную структуры белка. Вместе с тем предполагается [ Monod J et al, 1965 ], что у многих белков (например аллостерические ферменты) первичная структура определяет не одну, а несколько возможных пространственных структур (конформаций), в каждой из которых с определенной вероятностью может находиться молекула белка.

Исследования Сведберга [ Svedberg Т., 1929 ] показали,что молекулярные массы различных белков, приблизительно пропорциональные длине цепочки, кратны некоторой минимальной массе, равной примерно 17600. Это интересное обстоятельство, возможно, является свидетельством того, что при возникновении жизни древние гены, кодировавшие про-белки, появлялись как самостоятельные единицы, одинаковая длина которых определялась физико-химическими законами спонтанной полимеризации нуклеотидов, а современные гены сшиты из фрагментов, являющихся копиями древних генов [ Trifonov EN, 1995 ].

Пространственная структура белка зависит от физико-химических условий в растворе (температура, рН, ионая сила). Нативная структура, которую имеет белок при физиологических условиях, может измениться при изменении условий. Повышение температуры и изменение рН может привести к денатурации белка, к изменению его пространственной структуры.

Первичная структура белка - это последовательность ковалентно связанных пептидными связями аминокислот, составляющих белок. Эта последовательность, как правило, записывается, начиная с N- конца полипептидной цепочки. Первой первичной структурой, которая была расшифрована, была последовательность аминокислот в полипептидных цепях гормона инсулина. Эта работа была сделана Фредериком Сэнгером [ Sanger F, 1952 ] в лаборатории Кэмбриджского Университета (Великобритания). В настоящее время установлена аминокислотная последовательность (первичная структура) многих тысяч белков. Определение аминокислотных последовательностей основано на принципах, которые впервые были развиты Сэнгером (http://humbio.ru/humbio/01122001/prot_dr/0000441d.htm). Полученные усилиями многих исследователей данные о первичных структурах большого количества белков можно найти в базе данных Swiss-Prot http://humbio.ru/humbio/01122001/prot_dr/x0007a1c.htm

.

Белки: структура: вторичная

Полипептидная цепь белка, складываясь в компактную форму, может образовывать некоторое количество фрагментов, имеющих регулярную структуру. Таких фрагментов известно три: альфа-спираль, бэта-структура и поворот. В случае фибрилярных белков, как правило, вся полипептидная цепь целиком складывается в одну из двух регулярных структур: альфа-спираль или бэта- структуру. В структуре глобулярных белков могут встречаться фрагменты регулярного строения всех трех типов в любой комбинации, но может не быть и ни одного. Эти фрагменты и их сочетание в некотором белке, если они имеются, принято называть вторичной структурой этого белка. Повторяющиеся, более сложные комбинации, образованные из трех фрагментов регулярной структуры, иногда называют супервторичной структурой.

Данные о вторичной и супервторичной структурах большого числа белков можно найти в БАЗЕ ДАННЫХ ВТОРИЧНЫХ И СУПЕРВТОРИЧНЫХ СТРУКТУР - http://humbio.ru/humbio/01122001/prot_dr/x0002958.htm

Белки: структура: третичная (пространственная)

В растворе при физиологических условиях полипептидная цепь сворачивается в компактное образование, имеющее определенную пространственную структуру, которую называют третичной структурой белка, и которая практически полностью определяется первичной структурой белка. В настоящее время с помощью методов рентгеноструктурного анализа и ядерной магнитной спектроскопии (ЯМР-спектроскопия) определены пространственные (третичные) структуры большого числа белков. Почти все эти данные можно найти в Брукхейвенской базе данных по белкам, к которой имеется свободный доступ через Интернет (http://www.pdb.bnl.gov).

Белки: структура: четвертичная

Огромное значение в биологических процессах имеет способность белковых молекул и пептидов к высокоспецифическому взаимодействию, при котором одна белковая молекула "узнает" партнера среди множества других белковых молекул и образует с ним и только с ним прочный комплекс.

Такие комплексы образуются при взаимодействиии антиген - антитело, при формировании олигомерных ферментов из субъединиц, при самосборке субклеточных структур из субъединиц, при морфогенезе и в ряде других важных биологических процессов. Субъединичный состав и взаимная ориентация субъединиц белка, являющегося белок-белковом комплексом, образованным специфически взаимодействующими субъединицами (одинаковыми или различными белковыми молекулами), связаными нековалентными связями, является его четвертичной структурой.

В отличие от мономерного белка, пространственная третичная структура которого (конформация) является для него единственно возможной и однозначно определяется последовательностью аминокислот в его полипептидной цепи, белок-комплекс может иметь несколько пространственных четвертичных структур (конформаций), которые отличаются взаимным расположением субъединиц в комплексе и, возможно, энергией ассоциации.

Четвертичная структура комплекса имеет важное значение для функции, которую выполняет белок. Одинаковые по субъединичному составу, но отличающиеся взаимным расположением субъединиц, белковые комплексы могут радикально отличаться по проявляемым ими своим физическим и химическим свойствам. Такая ситуация, по-видимому, имеет место, например, в случае олигомерных ферментов, когда наблюдается аллостерическая регуляция каталитической активности низкомолекулярными эффекторами. Предполагается, что аллостерический фермент (белковый комплекс) проявляет каталитическую активность (имеет активный центр), находясь лишь в некоторых из многих возможных четвертичных структур (конформаций), при образовании которых активный центр "составляется" из фрагментов субъединиц в месте их соединения, в то время как при других вариантах соединения в четвертичную структуру активный центр "не составляется" и в этих конформациях фермент неактивен [ Drozdov-Tikhomirov LN et al, 1999 ]. Эффектор - активатор, связывается только с активными четвертичными структурами, работает как скрепка и стабилизирует молекулы, имеющие такие структуры, увеличивая долю молекул фермента, находящихся в активном состоянии. Ингибитор, напротив, связывается только с молекулами фермента, имеющими неактивную четвертичную структуру и, стабилизируя их, увеличивает долю молекул фермента, находящихся в неактивной форме (не имеющих активного центра). Рис. 2 dr (http://humbio.ru/humbio/01122001/prot_dr/00008433.htm)

Об аллостерической регуляции можно посмотреть здесь: http://humbio.ru/humbio/ssb/00163db4.htm