Структура биологических молекул

Функциональные возможности клеток (индивидуально либо в составе организма) следуют из физико-химических ограничений в связи с наблюдаемыми структурами. Основа жизнедеятельности – функционирование биологических макромолекул (белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов) и агрегатов молекул (липидных мембран, рибосом и других макромолекулярных комплексов).

Рассмотрим структуры важнейших биологических макромолекул и агрегатов молекул, их свойства и связанные с ними ограничения в количественном выражении.

Ограничения начинаются с химического состава, определяемого химическими формулами. Для компактного описания структуры органических молекул используют графические и структурные формулы, представление в виде последовательности остатков мономеров (для гетерополимеров белков и нуклеиновых кислот), а также разделение на одноуглеродные фрагменты (ОУФ – см. [Мушкамбаров ]) и т.д.

Геометрическую форму молекулы в растворе определяет пространственная конфигурация зарядов на ее поверхности. Для выполнения функций многих молекул необходима устойчивость пространственной структуры (например, таким свойством должен обладать реакционный центр фермента). Структура многих молекул термодинамически устойчива. Практически эта стабильность обеспечена за счет слабых связей. Тогда молекулу можно разделить на домены, выделяя в том числе и нестабильные фрагменты (например, «хвосты» фосфолипидов при «жидком» состоянии мембраны).

Белки – полимеры, состоящие из остатков аминокислот. Каждая аминокислота состоит из стандартной части молекулы (она одинакова у 19 из 20 аминокислот), и радикала (вариабельной части, она у различных аминокислот разная). Две аминокислоты (только формально: в клетке это всегда делается с помощью рибосомы) можно соединить друг с другом реакцией дегидратации: образуется пептидная связь

–COOH + H₂N– = –(C=O) – NH –

Приложение (пептидная связь, рис., Макеев, с. 24, там же пространственная ориентация L/D – изомеры аминокислот)

Два конца получившегося димера отличаются друг от друга по строению и свойствам и называются N- и C-концы. Далее и к одному, и к другому концу можно присоединить новые аминокислоты, но в любом случае вся цепочка будет иметь с одной стороны N- конец, а с другой стороны C- конец. Такая нить из аминокислот называется первичной структурой белка. Соответственно, простейший способ описания структуры белка – это последовательность его аминокислотных остатков.

Молекулярная масса аминокислотного остатка в середине молекулы меньше молекулярной массы аминокислоты на молекулярную массу воды и она также уменьшается для N– и С– концевых остатков (на 17 и 1 у.е. соответственно).

Принята конвенция, по которой при описании структуры белка последовательность остатков пишется, начиная с N-конца, причем аминокислотные остатки обозначают (см. там же) тремя буквами (позволяет легко восстановить полное название), см. пример в задаче ниже, или одной (для максимальной краткости).

Изучение первичной структуры белков в простейших случаях иллюстрируют две задачи I.5 и I.2 из списка, составленного А.В. Макеевым

Определяется первичная аминокислотная последовательность полипептида, состоящего из 21 а.о. Его амино- и карбоксиконцевые остатки были идентифицированы как лизин и аспарагин соответственно. Частичное расщепление полипептида тремя разными способами и последующее определение последовательности а.о. в получившихся фрагментах дало следующие результаты:

1-е расщепление 2-е расщепление 3-е расщепление

Arg-Lys-Leu-Trp-Lys Ile-Arg-Ile Leu-Trp

Phe-Cys-Leu-Gly Val-Asp-Asn Lys-Val-Asp-Asn-Ile

Val-Asp-Asn Phe-Cys-Leu Lys-Tyr-Leu-Phe-Cys

Lys-Tyr-Leu Leu-Trp-Lys Arg-Ile-Pro-Cys-Asn

Ile-Arg-Ile-Pro Lys-Tyr-Leu Leu-Gly-Arg-Lys

Cys-Asn Pro-Cys-Asn

Gly-Arg-Lys

Выпишите последовательность а.о. в полипептиде.

Комментарии:

определения: белок (больше 30 а.о.), полипептид (если короче /но больше 10 а.о., иначе дипептид, трипептид и т.д.)

по сути, решается экспериментальная проблема: как анализировать сложную молекулу, которая в пространстве образует структуру с внутренними связями, недоступными для

сложная задача, но она решена

подход: можно разрезать на короткие фрагменты разными способами, а затем сравнить получаемые наборы

Ответ: Lys-Tyr-Leu-Phe-Cys-Leu-Gly-Arg-Lys-Leu-Trp-Lys-Val-

-Asp-Asn-Ile-Arg-Ile-Pro-Cys-Asn.

Белок, состоящий из 125 аминокислотных остатков, содержит аланин (13.41 вес.%), валин (24.92 вес.%), глицин (13.32 вес.%), пролин (6.10 вес.%), серин (14.07 вес.%), лейцин (21.49 вес.%) и неизвестную аминокислоту. Известно также, что N-концевым а.о. является аланин, а С-концевым - лейцин, и что содержание пролина в белке - 7 молей/моль. Определите неизвестную кислоту. В каких случаях данных, приведенных в задаче, недостаточно, чтобы дать однозначный ответ?

Решение:

М_белка = 7*(М_{пролина} - М_воды)*100%/6.10% = 700*(115.14-18)/6.1» 11147 Да.

Находим число остатков для известных аминокислот:

n_ала = (13.41*M_белка/100 -1)/(89.09-18) = 21;

n_вал = 24.92*M_белка/(117.16-18) = 28;

n_гли = 13.32*M_белка/(75.07-18) = 26;

n_про = 6.1*M_белка/(115.14-18) = 7;

n_сер = 14.07*M_белка/(105.09-18) = 18;

n_лей = (21.49*M_белка/100 -17)/(131.18-18) = 21.

На долю неизвестной аминокислоты приходится 100% - 13.41% - 24.92%-

- 13.32% - 6.10% - 14.07% - 21.49% = 6.69%, что составляет» 745.75

Да, и белок содержит 125 - 21 - 28 - 26 - 7 - 18 - 21 = 4 остатка

неизвестной аминокислоты. Следовательно, ее мол. масса составляет:

745.75/4 + 18» 204.44 Да.

Ответ: неизвестная аминокислота - триптофан.

В молекуле нерегулярного полимера возникают связи между остатками мономеров (т.е. элементами первичной структуры) и при этом могут возникать периодические структуры как повторение комбинации связей (одной или нескольких). Локально могут реализоваться разные варианты периодичности, в том числе апериодичность, любой наблюдаемый конкретный вариант называют вторичной структурой биополимера.

Для белков есть несколько характерных вариантов периодической организации (возникающих из-за взаимного притяжения стандартных частей аминокислот). Их основные типы (с соответствующими количественными характеристиками) приведены в справочных данных. Наиболее часто встречающиеся варианты периодической организации – это спиральные (например, α-спираль или коллагеновая спираль) и так называемые β-структуры (параллельный и антипараллельный β -слои).

При этом расстояния между остатками указаны в проекции на линейную ось, это позволяет сравнивать различные варианты вторичной структуры в проекции (не анализируя геометрию молекулы подробно) и говорить о более или менее вытянутой структуре молекул.

Такой способ описания вторичной структуры (с использованием проекций на линейную ось как количественных характеристик) в простейшем случае, когда вся белковая молекула – это периодическая структура единственного типа, иллюстрирует задача I.9. о растягивании волоса.

До какой максимальной длины можно растянуть 10-сантиметровый волос после его нагревания и обработки восстанавливающим агентом, разрывающим дисульфидные связи?

Решение (структура волоса и связанное с этим описание – с. 61, 45):

Интерпретация (для начального и конечного состояния) – единственно возможная по имеющимся справочным данным

Число а.о.: 10⁷нм/0.15 нм» 6.67 10⁸.

L = 6.67 10⁸ 0.347 нм» 2.31 10⁸ нм.

Ответ: 23 см.

Развитие: обсудить применимость сделанной оценки