Лекция № 3. Вторичная структура показывает пространственную конфигура­цию белковой молекулы. Выделяют три типа вторичной структуры: α-спиральная, β-складчатая и

Классификация белков

Вторичная структура показывает пространственную конфигура­цию белковой молекулы. Выделяют три типа вторичной структуры: α-спиральная, β-складчатая и коллагеновая спираль.

В стабилизации вторичной структуры важную роль играют водород­ные связи, которые возникают между атомом водорода, соединенным с электроотрицательным атомом азота одной пептидной связи, и кар­бонильным атомом кислорода четвертой по счету от нее аминокислоты, и направлены они вдоль оси спирали. Энергетические расчеты показы­вают, что более эффективна правая α-спираль (рис. 2). Фибриллярные α-кератины (шерсть, кожа, перья) состоят из не­скольких полипептидных цепей, имеющих правую α-спиральную кон­фигурацию, и образуют прочные суперспирали, выполняющие меха­нические функции.

Рисунок 2 – α-спиральная кон­фигурация структуры белка

Другой тип вторичной структуры белка, получил название β-складчатой структуры или β-складчатого слоя. На рис. 3 показана модель такой структуры (а – вид сбоку, б – вид сверху). Точками на рисунке показаны меж­цепочечные водород-

Рисунок 3 – β-складчатая кон­фигурация структуры белка

ные связи. При таком пространственном располо­жении образуется система па­раллельно и антипараллельно размещенных фрагментов одной или нескольких полипептидных цепей. Полипептидные цепи в раскладках полностью вытянуты. Складки появляются из-за того, что плоскости двух соседних пептидных связей образуют некоторый угол. Система стабилизируется благодаря поперечным водородным связям между це­пями, расположенными перпендикулярно по отношению к ориентации полипептидных связей. Расстояние между цепями составляет 0,95 нм, а период идентичности вдоль цепи – 0,70 нм для параллельных цепей и 0,65 нм для антипараллельных. Указанная структура характерна для фибриллярных белков (β-кератин, фиброин и др.). В частности, β-кератин характеризуется параллельным расположением полипептидных цепей, которые дополнительно стабилизируются межцепочечными S—S-связями. В фиброине шелка соседние полипептидные цепи антипараллельны.

Третий тип вторичной структуры — коллагеновая спираль. Она состоит из трех спирализованных цепей, имеющих форму стержня диаметром 1,5 нм и длиной около 300 нм. Спирализованные цепи закручиваются одна вокруг другой и образуют суперспираль. Расстояние между двумя АК остатками по оси спирали составляет 0,29 нм, а на один виток спирали приходится 3,3 остатка. Коллагеновая спираль стабилизируется водородными связями, возни­кающими между водородом пептидных NH-групп остатков АК одной цепи и кислородом СО-групп АК остатков дру­гой цепи. Такая структура придает белку высокую упругость и прочность.

Третичная структура. Большинство белков в нативном состоянии имеют весьма компактную структуру, которая определяется размером, формой, полярностью АК радикалов, а также последова­тельностью АК (рис. 4). Образование нативной глобулярной структуры является многокомпонентным процессом, основанным на различных типах нековалентных взаимодействий. Превращение развернутой полипептидной цепи в компактную моле­кулу сопровождается гидрофобными взаимодействиями углеводород­ных радикалов таких АК, как лейцин, изолейцин, фенилаланин, триптофан, достаточно удаленных друг от друга в полипептидной цепи. Почти все неполярные или гидрофобные радикалы этих АК располагаются внутри глобулы и обеспечивают устойчивость ее структуры. Полярные или ионогенные радикалы (особенно аспарагиновой и глутаминовой кислот, аргинина и лизина) располагаются на внешней поверхности молекулы и находятся в гидратированном состоя­нии. В местах сгибов полипептидной цепи локализованы остатки таких АК, как пролин, изолейцин и серии, которые не способны образовывать α-спиральные структуры. Таким образом, между после­довательностью АК в белке и его конформацией существует тесная взаимосвязь. Различия в аминокислотном составе и в последова­тельности отдельных АК остатков обусловливают возникновение в полипептидной цепи локальных неустойчивых точек, в ко­торых стабильность α-спирали нарушена и под действием разнообраз­ных молекулярных сил могут создаваться изгибы.

Рисунок 4 – Третичная структура белка

Существенное влияние на процесс формирования нативной конформации белка или его третичной структуры оказывают гидрофобные и ионогенные взаимодействия, водородные связи и др. Под действием этих сил достигается термодинамически целесообразная конформация белковой молекулы и ее стабилизация. После завершения процесса свертывания полипептидной цепи важную роль в стабилизации ее конформации играют ковалентные дисульфидные связи.

В настоящее время расшифрована третичная структура миоглобина, гемоглобина, РНК-азы, лизоцима, химотрипсина, карбоксипептидазы и других белков.

Под четвертичной структурой подразумевается характерный способ объединения и расположения в пространстве отдель­ных полипептидных цепей, составляющих одну функционально инди­видуальную молекулу. По составу и сложности первичной, вторичной и третичной структуры субъединицы могут сильно отличаться. Напри­мер, молекула гемоглобина состоит из четырех субъединиц, которые объединены в мультимер с молекулярной массой 60000-70000, РНК-полимераза из Е. coli имеет пять субъединиц, а белок ви­руса табачной мозаики содержит несколько тысяч одинаковых субъ­единиц с молекулярной массой около 17500 каждая. В формировании четвертичной структуры принимают участие водородные связи, элек­тростатические, Ван-дер-Ваальсовы и гидрофобные взаимодействия.

Для четвертичной структуры одних белков характерно глобулярное расположение субъединиц (гемоглобин), другие белки объединяются в спиральные четвертичные структуры по типу винтовой симметрии (вирус табачной мозаики). Четвертичная структура установлена для гемоглобина, вируса та­бачной мозаики, РНК-полимеразы, лактатдегидрогеназы, каталазы, аспартат-карбомоилазы и др.

Основными признаками, положенными в основу классификации белков, являются их физико-химические свойства и форма молекул. По физико-химическим свойствам белки классифицируют на про­стые (протеины) и сложные (протеиды). Простыми называются такие белки, которые при гидролизе дают только АК. Сложные белки при гидролизе дают наряду с АК вещества небелковой природы (углеводы, липиды, фосфорную кислоту, нуклеиновые кислоты и др.). Небелковый компонент сложных белков получил название простетической группы. Однако классификация белков на простые и сложные условна. Например, простые белки гистоны могут подвергаться посттрансля­ционным модификациям (фосфорилированию, метилированию, ацетилированию и др.) и переходить в сложные белки.

В зависимости от формы или конформации белки делят на два основных класса – глобулярные и фибриллярные. Глобулярные имеют шарообразную, эллипсоидную или оваль­ную форму молекул, т.е. их полипептидные цепи свернуты в плотную глобулу. Глобулярные белки растворимы в водных растворах. Фибриллярные состоят из параллельно расположенных по­липептидных цепей, образуют вытянутую нитевидную молекулу, выполняют защитные или структурные функции. К ним относятся белки волос (кератин), шелка (фиброин), мышц (миозин). Основа структуры фибриллярного белка коллагена – тройные спирали, состоящие из трех полипептидных цепей. Фибрилляр­ные белки имеют большую прочность, могут сжиматься и распрям­ляться, нерастворимы в воде и разбавленных солевых растворах (рисунок 5).

Рисунок 5 – Структура фибриллярного белка

Протеины классифицируют по растворимости в раз­личных растворителях.

Альбумины хорошо растворяются в воде и солевых растворах. Высаливаются в растворе сульфата аммония в пределах насыщения 80-100 %. В альбуминах много аминокислоты лейцина (до 15 %), имеется также лизин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты, в очень незначительных количествах – глицин. Альбу­мины содержатся в цитоплазме всех клеток, почти все ферменты семян находятся в альбуминовой фракции.

Глобулины растворяются в растворах нейтраль­ных солей (10 % NаСl) и совершенно не растворяющимися в воде. Они полностью высаливаются раствором сульфата аммония в пределах насыщения 50 %. По химической природе глобулины близки к альбу­минам, однако богаче глицином (до 3 %);ММ 100-300 тыс. Это главные белки семян бобовых (60-90 % всех белков) и масличных (50-60 % всех белков) культур. Среди глобулинов известны легумин и вицилин из семян гороха, фазеолин – фасоли, глици­нии – сои, эдестин – конопли и др.

Глютелины не растворяются в воде, но растворяются в растворах разбавленных щелочей (0,2 %). Они содержатся в основном в семенах зла­ков, где их может быть 25-40 % от общего содер­жания белков, а в рисе – 60-70 %. Глютелины представляют собой смесь различных белков, из которой выделяют индивидуальные белки: глютелин – из зерна пшени­цы (составляющий половину клейковины); оризенин – из зерна риса; глутелин – иззерна кукурузы и др.

Проламины – белки, растворимые в 70-80 % спирте, на чем основаны методы их выделения. Название связано с тем, что при их гидролизе образуется много пролина и ам­миака. Проламины – это специфические белки зла­ков. Содержание их в зерне составляет 20-50 %. Молекулярная масса проламинов 26-40 тыс. Сре­ди проламинов известны глиадин пшени­цы и ржи, гордеин – овса и ячменя, зеин – кукурузы.

Протеиды – сложные белки, состоящие из простого белка и не­белковой части (простетической группы). К сложным белкам отно­сятся хромопротеиды, липопротеиды, гликопротеиды, нуклеопротеиды и т.д.

Хромопротеиды состоят из простого белка и окрашенной просте­тической группы. К ним относятся белки, связанные с хлорофиллом, каротиноидами, фитохромами, а также цитохромы, ферредоксин, пластоцианин. Хромопротеины участвуют в процессах фотосинтеза, дыхания, в различных окис­лительно-восстановительных реакциях. Простетическая группа некоторых хромопротеидов содержит металл.

В растениях содержится хромопротеид, состоящий из белка и хло­рофилла. Детально изучена химическая струк­тура, свойства и функции хлорофилла. В настоящее время известно два типа хлорофилла – хлорофилл а – C₅₅H₇₂0₈N₄Mg и хлорофилл в – C₅₅H₇₀O₆N₄Mg. В основе строения хлорофилла лежит протопорфи­рин, который связан двумя основными и двумя дополнительными ва­лентностями с атомом магния. Хлорофилл, являющийся сложным эфи­ром двухосновной кислоты и двух спиртов – метиловогои высокомо­лекулярного ненасыщенного спирта – фитола, содержится в хлоропластах в комплексе с белком и липоидами. Он играет исключительно важную роль в процессах фотосинтеза зеленых растений. Хромопротеиды, не содержащие в своем составе металлов, назваются флавопротеидами. В качестве простетической группы они со­держат рибофлавин в составе флавинадениндинуклеотида (ФАД) или флавинмононуклеотида (ФМН), ковалентно связанного с апоферментом. Флавопротеиды играют важную роль в окислительно-восстановительных процессах. В окисленном состоянии флавиновые ферменты окра­шены в красный, коричневый или зеленый цвет.

Липопротеиды – это группа сложных белков, содер­жащих в качестве простетической группы различные жироподобные вещества (фосфолипиды, гликолипиды, сульфолипиды, разнообразные стероиды и терпеноиды). Особым разнообразием липидных компонентов отли­чаются липопротеины мембран хлоропластов.

Гликопротеиды имеют в своем составе углево­ды и их производные – глюкозу, маннозу, галак­тозу, глюкозамин, глюкуроновую кислоту и др. Сахар обычно связан с остатками серина, треони­на, оксипролина или аспарагиновой кислоты. При­мером гликопротеинов могут служить запасный белок бобовых – вицилин, ферменты – пероксидаза и глюкооксидаза, ядовитый белок рицин из семян клещевины. Рицин необратимо инактивирует рибосомы.

Нуклеопротеиды растений подобны таким же белкам животных. Они сходны по строению, свойствам и функциям. Это сложные белки, состоящие из простых белков и нуклеиновых кислот. Белковый компонент нуклеопротеидов обычно состоит из гистонов или протаминов. В зависимости от природы нуклеиновой кислоты различают два вида нуклеопротеидов. В состав рибонуклеопротеидов входит РНК, а в дезоксирибонуклеопротеидах содержится ДНК.

Заключениие. Основные функции белков в растительном орга­низме: структур­ная, ферментативная, т ранспортная, запасная, защитная и т.д. Структурные единицы белковой молекулы – протеиногенные аминокислоты, содержащие различные R-группы – неполярные или гидрофобные; полярные (гидрофильные), но незараженные; отрицательно заряженные (кислые); положительно заряженные (основные). Ковалентные и нековалентные связи белковой молекулы. Имеется четыре уровня структуры белковой моле­кулы. Все уровни структуры взаимосвязаны, последовательность остатков аминокислот (первичная структура) полностью определя­ет конформацию белковой молекулы. Проявление биологической ак­тивности белков зависит от высших уровней их структурной органи­зации.