Белки — важный класс биологических макромолекул, содержащиеся во всех биологических организмах, и состоят в основном из углерода, водорода, азота, фосфора, кислорода и серы. Все белки являются полимерами аминокислот. Эти полимеры также известны как полипептиды и состоят из последовательности 20 различных L-α-аминокислот, также называются аминокислотными остатками. Для цепочек длиной примерно до 40 остатков вместо термина «белок» чаще используется термин «пептид». Чтобы быть способным выполнять свою биологическую функцию, каждый белок принимает одну или более конформации, образующиеся с помощью ряда нековалентных взаимодействий, таких как водородные связи, ионные, вандерваальсивськи и гидрофобные взаимодействия. Для того, чтобы понять функцию белков на молекулярном уровне, часто необходимо определить трехмерную структуру белков. Отрасль биологии, занимающаяся установлением структуры белков, называется структурной биологии и использует такие методы как рентгеноструктурный анализ и ЯМР-спектроскопия.

Число остатков, необходимое для выполнения большинства специфических биохимических функций, составляет около 40-50, что, кажется, является нижней границей размера подавляющего большинства доменов. Размеры белков (но не пептидов) изменяются от этой низшего предела до нескольких тысяч остатков в многофункциональных или структурных белках. Оценка средней длины большинства белков составляет около 300 остатков. Белки также часто формируют белковые комплексы, состоящие из белковых субъединиц, например многие тысячи молекул актина собираются в длинные микрофиламенты.

Введение

Для функционирования белков крайне важна как их аминокислотного (пептидная) последовательность, так и трехмерная структура, которая формируется в процессе свертывания (англ. Folding). Трехмерная структура белков с нормальными природными условиями называется нативным состоянию белка. Обычно структура белков делится на четыре уровня:

  • Первичная структура — последовательность аминокислот в пептидной цепи.
  • Вторичная структура — регулярные под-структуры (например альфа-спирали и бета-листы), которые определяются локально, таким образом что в одной молекуле белка обычно существует много подобных структурных элементов (мотивов).
  • Третичная структура — трехмерная структура единой белковой молекулы, пространственное расположение вторичных структур.
  • Четвертичная структура — комплекс из нескольких молекул белка или полипептидных цепочек, который обычно называют белком в этом контексте, функционирующих вместе в составе белкового комплекса.

В дополнение к этим уровням структуры, белок может изменяться между несколькими подобными структурами в процессе осуществления своей биологической функции. В контексте этих функциональных перестановок, эти третичные или четвертные структуры обычно называются конформациями, а переходы между ними — конформационными изменениями.

Первичная структура удерживается с помощью пептидных связей типа ковалентных связей, образующихся в процессе стадии трансляции биосинтеза белков. Эти пептидные связи обеспечивают жесткость белка. Два конца аминокислотного цепочки называются C-концом или карбоксильным концом и N-конец или амино концов, заснувуючись природе свободной группы на каждом конце.

Различные виды вторичной структуры возникают локально между аминокислотами полипептидной цепочки и стабилизируются водородными связями. Однако, эти водородные связи в целом недостаточно устойчивы самостоятельно, потому что водородная связь с молекулами воды обычно благоприятный, чем водородная связь между амидными группами. Поэтому вторичная структура устойчива только когда локальная концентрация воды достаточно низкая, например, в пределах глобулы или в полностью свернутом белка.

Так же как и вторичная структура, образование глобул и третичной структуры стабилизируется преимущественно структурно неспецифическими взаимодействиями, например сродством аминокислот и гидрофобными взаимодействиями. Однако, третичная структура стабилизируется только когда некоторые части белка закреплены структурно специфическими взаимодействиями, например ионными связями (солевыми мостиками), водородными связями и стеричною упаковкой боковых цепочек. Третичная структура внеклеточных белков может также стабилизироваться дисульфидными связями, которые сокращают энтропию развернутого состояния. Дисульфидные связи чрезвычайно редки в цитоплазмених белках, потому что цитозоль обычно восстанавливающим окружением.

Уровни структуры белков

Первичная структура

  • Первичная структура — пептидная или аминокислотная последовательность, то есть последовательность аминокислотных остатков в пептидной цепи. В основе образования первичной структуры лежат пептидные связи. В состав белка входят как кислые, так и щелочные аминокислоты, поэтому любой белок обладает амфотерными свойствами. Именно первичная структура кодируется соответствующим геном и в наибольшей степени определяет свойства готового белка.

Вторичная структура

  • Вторичная структура характеризует пространственную форму белковой молекулы, которая чаще всего полностью или частично закручивается в спираль. Аминокислотные радикалы (R-группы) остаются при этом извне спирали. В стабилизации вторичной структуры важную роль играют водородные связи, которые возникают между атомами водорода NH-группы одного завитка спирали и кислорода CO-группы другого и направлены вдоль спирали. Хотя эти связи значительно слабее пептидные, однако вместе они формируют достаточно прочную структуру.

Элементы вторичной структуры

Самые распространенные типы вторичной структуры белков включают α-спирали и β-листы:

  • α-спирали — плотные витки вокруг длинной оси структуры, один виток составляют 4 аминокислотных остатка, спираль стабилизирована водородными связями между атомами H и O пептидных групп, удаленных друг от друга на 4 звена. Спираль может быть как ливозакрученою, так и правозакрученою, хотя обычно преобладает правозакручена. Спираль нарушают электростатические взаимодействия глутаминовой кислоты, лизина, аргинина, расположенные рядом аспарагин, серин, треонин и лейцин могут стерически мешать образованию спирали, пролин вызывает изгиб цепи и также нарушает спираль.
  • β-листы (складчатые слои) — несколько зигзагообразных полипептидной цепи, в которых водородные связи образуются между относительно удаленного участками цепочки или между различными цепочками, а не между близко расположенными аминокислотами, как это имеет место в α-спирали. Эти цепочки обычно направлены N-концами в разные стороны (антипараллельно ориентация). Для образования листов важные небольшие размеры R-групп аминокислот, в этих структурах обычно преобладают глицин и аланин.
  • π-спирали;
  • Структура белков -спирали;
  • неупорядоченные фрагменты.

Номенклатура DSSP

Для описания вторичной структуры часто используется номенклатура DSSP, что описывает отдельные элементы этой структуры с помощью однобуквенных кода. DSSP — акроним «Словаря вторичной структуры белков» (англ. Dictionary of Protein Secondary Structure), который был заголовком статьи, ввела эти обозначения, и фактически представляет собой список элементов вторичной структуры билкив с известной трехмерной структурой (Kabsch и Sander 1983).

  • G = 3-аминокислотная спираль (10 Марта -спираль). Минимальная длина 3 аминокислоты.
  • H = 4-аминокислотная спираль (альфа-спираль). Минимальная длина 4 аминокислоты.
  • I = 5-аминокислотная спираль (пи-спираль). Минимальная длина 5 аминокислот.
  • T = поворот, стабилизированный водородными звьязкмы (3, 4 или 5 аминокислот)
  • E = бета-лист в параллельной или антипараллельной конфигурации. Минимальная длина 2 аминокислоты.
  • B = аминокислота в изолированном бета-мостике (формация из одной пары водородных связей бета-листа)
  • S = поворот (единственная нестабилизированная водородными связями структура в списке)

В DSSP аминокислотные остатки, которые входят в одну из приведенных структур, обозначаются как "" (пробел), или иногда обозначается как C (кольцо) или L (петля). Спирали (G, H и я) и листовые структуры — все должны иметь разумную длину. Это означает, что два соседних остатки в первичной структуре должны сформировать тот же тип водородного связи. Если спирали или стабилизированный водородными звьязкмы письмо очень короткие, они обозначаются как T или B соответственно. Существуют и другие категории элементов вторичной структуры (крутые повороты, омега-петли и т.п.), но они используются относительно редко.

Третичная структура

Третичная структура — полная пространственное строение единой белковой молекулы, пространственное взаимоотношение вторичных структур друг к другу. Третичная структура в целом стабилизируется нелокальными взаимодействиями, обычнее всего формированием гидрофобного ядра, но также из-за образования водородных связей, солевых мостиков, других типов ионных взаимодействий, дисульфидных связей между остатками цистеина.

«Надвторинна» структура

Большинство белков организованы на нескольких промежуточных уровнях между основными элементами вторичной структуры и полной структурой полипептидной цепочки. Эту организацию часто называют «надвторинною» структурой, а ее элементы — структурными мотивами и доменами.

Структурный мотив определяется как элемент структуры, встречается в разных белках и связан с выполнением подобного действия. Обычно (но не всегда) это означает небольшую специфическую комбинацию элементов вторичной структуры, например спираль-поворот-спираль имеет три таких элемента. Хотя пространственная последовательность элементов одинакова во всех образцах мотива, они могут кодируются в любом порядке в пределах нуклеотидной последовательности гена. Структурные мотивы часто включают петли переменной длины и неопределенной структуры, и создают необходимые соединения, соединяя в пространстве элементы, не кодируются непосредственно друг за другом. Даже когда два гена кодируют элементы вторичной струкруры мотива в том же порядке, они могут иметь различные аминокислотные последовательности. Это верно не только из-за сложного связь между первичной и вторичной и третичной струкрурамы, но и через различные размеры мотивов в составе различных белков. Похожие структурные мотивы обычно выполняют схожие функции, благодаря чему за ними можно предусмотреть функцию неизвестного белка. Хотя структурные мотивы могут быть аналогичными, чаще всего они сохраняются в процессе эволюции видов.

Домен — несколько больший элемент структуры белка, самостоятельно стабилизируется и обычно сворачивается независимо от остальных частей полипептидной цепочки, и часто выполняют отдельную функцию. Многие доменов не уникальны к одному типу белков или нависть белкового семейства, но встречаются в разнообразие белков. Домены часто называются и определяются согласно с функцией, которую они выполняют, и названием белка, где они найдены, например, «кальций-связывающий домен кальмодулина». Через их независимое свертывания и стабилизацию, домены можно субклонуваты («пересаживать») с одной белка на другой с помощью генной инженерии, создавая причудливые белки с новыми функциями.

Несмотря на факт, что существует около 100 тыс. Различных белков в клетках эукариот, существует гораздо меньше различных структурных мотивов и доменов. Это является следствием эволюции, потому что гены часто возникают за счет дупликации или перемещение части генетического материала в пределах генома. Таким образом, домен может быть передан от одного белка к другому, придавая этому белку новую функцию. Через подобные процессы, каждый домен стремится использоваться многократно в нескольких разных белках.

Четвертичная структура

Четвертичная структура — структура, возникает в результате взаимодействия нескольких белковых молекул, названных в данном контексте субъединицами. Полная структура нескольких соединенных субъединиц, вместе выполняют общую функцию, называется белковым комплексом.

Видео по теме

Изображения по теме

  • Структура белков
  • Структура белков