Особенности аминокислотного состава некоторых белков

* - в данных белках отсутствуют циклические, кислые, серосодержащие аминокислоты, треонин, лизин

Даже незначительные изменения аминокислотной последовательности в белке приводят к серьезным нарушениям его функций. Например, точечные (единичные) замены аминокислот в коллагене (наиболее распространенный белок млекопитающих, составлят до 30 % всех белков организма и участвует в структурной организации кровеносных сосудов и большинства органов) приводят к изменениям физических свойств соединительной ткани, влекущим за собой тяжелые заболевания, такие как синдром Эллерса-Данлоса (наследственное заболевание, гиперподвижность суставов, кожи), синдром Марфана (наследственное заболевание, наблюдаются изменения в органах опорно-двигательного аппарата, органах зрения и сердечно-сосудистой системе).

Вторичная структура – способ укладки полипептидной цепи в упорядоченную форму за счет системы водородных связей. Различают две формы вторичной структуры белка:

- спиральную, возникающую в одной цепи - правозакрученная α-спираль;

- слоисто-складчатую между смежными полипептидными цепями - β-складчатая структура.

На один виток α-спирали в среднем приходится 3,7 аминокислотных остатка. Шаг спирали составляет 0,54 нм, диаметр — 0,5 нм. Плоскости двух соседних пептидных групп располагаются при этом под углом 108˚. Боковые радикалы α–аминокислот находятся на наружной стороне спирали и направлены от поверхности цилиндра. Основную роль в закреплении такой конформации цепи играют водородные связи, которые в α-спирали образуются между атомом кислорода карбонильного фрагмента пептидной группы каждого первого аминокислотного остатка и атомом водорода - NH-фрагмента пептидной группы каждого пятого аминокислотного остатка. Помимо водородных связей, спирализации могут способствовать и некоторые ковалентные связи. Например, дисульфидные мостики, образованные молекулами цистеина, в α-кератинах — белках, формирующих наружные защитные покровы позвоночных (волосы, шерсть, ногти). Для выполнения своих функций и обеспечения прочности α-спирали таких белков могут быть сшиты между собой, образуя суперспираль в виде скрученных одна вокруг другой сверхпрочных нитей, например, в коллагене.

Некоторые α-аминокислоты в силу строения бокового радикала препятствуют спирализации цепи:

- пролин не содержит атома водорода в составе пептидной группы и, следовательно, не может образовывать водородную связь. Поэтому в тех участках, где имеются звенья пролина, белковая цепь теряет способность к спирализации (деспирализуются) и изгибается;

- остатки глутаминовой и аспарагиновой кислот, расположенные рядом, за счет взаимного отталкивания –СОО^---групп, несущих отрицательный заряд при физиологических значениях рН;

- остатки лизина и аргинина, расположенные рядом, за счет отталкивания положительных зарядов диссоциированных аминогрупп.

- аминокислоты с объемными радикалами, расположенные рядом.

При формировании групповой β-складчатой структуры полипептидные цепи могут располагаться как параллельно (цепи имеют одинаковое направление от N- к С-концу), так и антипараллельно (цепи имеют противоположное напралвение от N- к С-концу). Типичным представителем белков, построенных по типу складчатого листа, являются β-кератины (волосы, роговая ткань, белок паутины, β-фиброин шелка).

Для формирования складчатой структуры β-кератина имеет значение очень высокое содержание глицина и аланина — аминокислот с малыми по объему радикалами, что обеспечивает плотное прилегание друг к другу цепей, формирующих групповой складчатый листок. Так, в фиброине шелка, образующего прочные нити, каждый второй аминокислотный остаток — глицин.

Вторичные структуры, в частности α-спираль и β-структура, возникают самопроизвольно вследствие того, что данный белок имеет определенный аминокислотный состав и определенную аминокислотную последовательность (просматривается связь между первичной и вторичной структурой, а также функцией белков). При этом следует отметить, что α-спираль и β-структура не являются взаимоисключающими способами пространственной организации полипептидной цепи в рамках одной белковой молекулы.

Характерная вторичная структура белка – это его наиболее устойчивая форма при заданных биологических условиях, приспособленная к выполнению специфических биологических функций.

Для глобулярных белков свойственны еще два уровня организации: сверхвторичная – характеризует энергетически предпочтительные агрегаты вторичной структуры и домены – части белка, представляющие собой достаточно обособленные глобулярные области.

- третичная структура – специфическая укладка упорядоченных (регулярных) и неупорядоченных (аморфных) участков полипептидной цепи в компактное тело. По форме третичной структуры белки делятся на фибриллярные — нити и глобулярные — шароподобные. Последние более компактны по сравнению с фибриллярными.

Третичная структура белковой молекулы возникает автоматически в результате самоорганизации полипептидной цепи в соответствии с ее первичной и вторичной структурами, а также с параметрами (составом) окружающей среды. Движущей силой, свертывающей полипептидную цепь белка в строго определенное трехмерное образование, является взаимодействие аминокислотных радикалов между собой и с молекулами окружающей среды. При этом в водных растворах гидрофобные заместители вталкиваются внутрь белковой молекулы, образуя там сухие зоны, а гидрофильные — ориентируются в сторону водной среды. В некоторый момент достигается энергетически выгодная для водной среды конформация молекулы и такая конформация белковой молекулы стабилизируется межмолекулярными связями.

- четвертичная структура – ассоциация нескольких полипептидных цепей (субъединиц) с определенной конформацией в стабильный агрегат, не имеющий ковалентных связей. Представляет собой единое целое и выполняет биологическую функцию, не свойственную отдельно взятым субъединицам.