Вопрос. Четвертичная структура. Особенности строения и функционирования олигомерных белков на примере гемсодержащих белков- гемоглобина и миоглобина.

Установлено, что при гидролизе чистого белка, не содержащего примесей, освобождается 20 различных

α- аминокислот. α- Аминокислоты представляют собой производные карбоновых кислот, у которых один водородный атом, у α- углерода, замещен на аминогруппу (-NH₂), например:

α

R – CH - COOH

I

NH₂

Все встречающиеся в природе аминокислоты обладают общим свойством – амфотерностью, т.е. каждая

аминокислота содержит как минимум одну кислотную и одну основную группы. Аминокислоты будут отличаться друг от друга химической природой радикала R, не участвующего в образовании пептидной связи при синтезе белка. Все разнообразие особенностей структуры и функции белковых молекул связано с химической природой и физико-химическими свойствами радикалов аминокислот. Именно благодаря им белки наделены рядом уникальных функций, не свойственных другим биополимерам, и обладают химической индивидуальностью.

Первичная структура - это последовательное соединение аминокислотных остатков в полипептидную цепь. Она стабилизируется пептидными связями между аминокислотами, обеспечивая прочность ковалентного состава полипептидной цепи. Каждый индивидуальный белок уникален своей первичной структурой. Она определяет последующие уровни организации белковой молекулы.

Стабильность первичной структуры обеспечивается в основном главновалентными пептидными связями; возможно участие и небольшого числа дисульфидных связей.

В полипептидной цепи могут быть обнаружены разнообразные комбинации аминокислот; в полипептидах относительно редки повторяющиеся последовательности.

Каждый индивидуальный гомогенный белок характеризуется уникальной первичной структурой; частота замены аминокислот приводит не только к структурным перестройкам, но и к изменениям физико- химических свойств и биологических функций.

В некоторых ферментах, обладающих близкими свойствами, встречаются идентичные пептидные структуры (последовательность аминокислот), в особенности в областях их активных центров. Этот принцип структурного подобия наиболее типичен для ряда протеолитических ферментов- трипсина, химотрипсина и т.д.

Замена или утрата аминокислот в полипептидной цепи приводит к изменению структуры, физико-химических свойств и биологических функций белка. Например, при мутации гена, кодирующего полипептидную β-цепь гемоглобина (Нb) глутаминовая кислота в положении 6 замещается на валин, в результате чего мутантный Hb становится плохо растворим, теряет способность переносить кислород. При этом эритроциты приобретают форму серпа, отсюда название болезни - серповидно-клеточная анемия. В настоящее время расшифрована первичная структура многих белков: гемоглобина, миоглобина, инсулина, иммуноглобулинов, цитохромов, лизоцима, трипсина, химотрипсина и других.

Белки имеют 4 уровня структурной организации.

Вторичная структура - это способ свертывания, скручивания, упаковки полипептидной цепи в спиральную или другую конформацию. Она возникает самопроизвольно, автоматически, что зависит от набора аминокислот и их последовательности. Различают 2 типа вторичной структуры: 1-α-спираль и 2 - слоисто-складчатая (β-структура).

α-спираль имеет винтовую симметрию:

а) ход спирали стабилизируется водородными связями между пептидными группами каждого 1-го и 4-го остатка аминокислот.

б) регулярность витков спирали.

в) равнозначность всех аминокислотных остатков независимо от строения их боковых радикалов.

г) боковые радикалы не участвуют в образовании α-спирали.

Высота одного витка (шаг спирали) равна 0,54 нм, в него входят 3,6 аминокислотных остатка, период регулярности равен 5 виткам (18 аминокислотных остатка). Длина одного периода - 2,7 нм.

Очень много в α-спирали цистеина. Благодаря своей SH-группе он может образовать дисульфидные связи между витками спирали.

Другой тип вторичной структуры называется β-структурой. Этот вид обнаружен в белках волос, мышц, ногтей и других фибриллярных белках. Состав таких полипептидных цепей имеет складчатую структуру. Её стабилизируют водородные связи между пептидными группировками отдельных участков цепи, чаще двух или нескольких полипептидных цепей, расположенных параллельно. В β-складчатых слоях отсутствуют S-S-связи (в этих участках нет цистеина). Боковые радикалы выступают наружу по обе стороны складчатого слоя.

β-структура образуется только при наличии в составе цепей определенных аминокислот, в частности, аланина и глицина. В молекулах многих нативных белков одновременно присутствует α-спиральные участки и β-складчатые слои.

Третичная структура - это трехмерная пространственная организация полипептидной спирали, или способ укладки полипептидной цепи в объеме.

По форме молекулы и особенностям пространственной структуры белки делятся на две группы- фибриллярные и глобулярные. Форма глобулярных белков близка к сферической или эллипсоидной. Молекулы фибриллярных белков имеют удлиненную форму и могут образовывать многомолекулярные нитевидные агрегаты- фибриллы.

Фибриллярные белки выполняют главным образом опорные функции, обеспечивая прочность тканей; глобулярные белки различны по функциям. Третичная структура глобулярных белков образуется путем дополнительного складывания пептидной цепи, содержащей α- спирали, β- структуры и участки периодической структуры. Основную роль в образовании третичной структуры играют слабые связи (водородные, ионные, гидрофобные) и дисульфидные связи.

Дисульфидная связь возникает за счет сульфгидрильных (тиоловых) групп цистеина. Образование дисульфидных связей приводит к тому, что удаленные друг от друга области пептида сближаются и фиксируются.

В результате возникновения множества слабых связей между аминокислотными остатками все части пептидной связи оказываются фиксированными относительно друг друга, образуя компактную структуру- глобулу. При этом значительная часть неполярных(гидрофобных) аминокислот оказываются погруженной во внутренние области глобулы, в то время как полярные(гидрофильные) аминокислоты располагаются преимущественно на поверхности глобулы, контактируя с водной фазой. Характер пространственной укладки определяются аминокислотным составом и чередованием аминокислот в пептидной цепи.

Стабилизируют эту структуру 4 типа внутримолекулярных связей:

1 - ковалентные дисульфидные связи между остатками цистеина;

2 - нековалентные водородные связи (между С=О и – ОН, –NH2, –SH-группами);

3 - электростатическое взаимодействие заряженных групп в боковых радикалах аминокислот (NН³⁺ и СОО^-);

4- гидрофобные ван-дер-ваальсовые взаимодействия между неполярными боковыми радикалами аминокислот.

По форме третичной структуры белки делят на глобулярные (ферменты, транспортные белки, антитела, гормоны) и фибриллярные (структурные) (кератин волос, ногтей; коллаген соединительной ткани, эластин связок; миозин и актин мышечной ткани).

Третичная структура определяет нативные свойства белка.

вопрос. Четвертичная структура. Особенности строения и функционирования олигомерных белков на примере гемсодержащих белков- гемоглобина и миоглобина.

Белки, обладающие этой структурой, называют олигомерными ("олиго" - несколько). Это означает, что они построены из нескольких субъединиц.

Четвертичная структура - это способ укладки в пространстве нескольких полипептидных цепей, обладающих первичной, вторичной и третичной структурами, которые могут быть как одинаковыми, так и разными.

Примеры белков, обладающих четвертичной структурой: гемоглобин – состоит из 4 пептидных цепей- 2 цепи α и 2 цепи β. Строение тетрамерного гемоглобина представляют формулой 2α2β. При действии денатурирующих агентов тетрамерный гемоглобин диссоциирует на димеры и протомеры. Протомеры- наименьшие субъединицы. При удалении денатурирующих агентов, структура восстанавливается.

Основными силами стабилизирующими четвертичную структуру, являются нековалентные связи между контактными площадками протомеров, которые взаимодействуют друг с другом по типу комплементарности- универсальному принципу,свойственному живой природе.

Гемоглобины могут различаться по белковой части, в связи с этим существуют физиологические и аномальные типы Нb. Физиологические Нb образуются на разных этапах нормального развития организма, а аномальные - вследствие нарушений последовательности аминокислот в глобине. Физиологические типы гемоглобинов отличаются друг от друга набором полипептидных цепей. Различают гемоглобины взрослых Нb А1 (96%), Нb А2 (2-3%), состоящий из 4 субъединиц: двух α-цепей и двух δ-цепей. Фетальный гемоглобин (гемоглобин новорожденных), обозначаемый HbF и состоящий из двух α-цепей и двух γ-цепей (1-2%). Нb А2 и Нb F обладают большим сродством к кислороду, чем Нb А1.
Миоглобин имеет третичную структуру и представляет собой одну цепь Нb (153 аминокислоты). В отличие от Нb он в 5 раз быстрее связывает О₂. Кривая насыщения имеет вид гиперболы. В этом кроется большой биологический смысл, поскольку миоглобин находится в глубине мышечной ткани (где низкое парциальное давление О₂). Связывая О₂, миоглобин создает кислородный резерв, который расходуется по мере необходимости, восполняя временную нехватку О₂

4.2 вопрос. Простые белки: альбумины, глобулины, гистоны, протамины. Особенности их строения, биологическая роль в детском организме.

Белки классифицируются на простые и сложные.

Простые белки построены из остатков аминокислот и при гидролизе распадаются соответственно только на свободные аминокислоты.

К простым белкам относят гистоны, протамины, альбумины, глобулины.

Альбумины и глобулины относятся к белкам, широко распространенным в органах и тканях животных.

Альбумины - это белки небольшой молекулярной массы (70 тыс.), они имеют избыточный "-" заряд и кислые свойства из-за большого содержания глутаминовой кислоты. Высаливаются при 100% насыщении (NH₄)₂SO₄. Характерная их особенность - высокая адсорбционная способность, благодаря чему они могут выполнять транспортную роль. Альбумины поддерживают осмотическое давление, обуславливают рН крови, выполняют резервную функцию.

Глобулины - белки с большей молекулярной массой (в пределах 160-180 тыс.). Они слабокислые или нейтральные. Это неоднородная фракция, среди которой особо выделяют α₁, α₂, β, γ-глобулины. Глобулины выполняют защитную функцию, участвуют в свертывании крови, осуществляют транспорт холестерола, ряда витаминов, гормонов, ферментов, ионов меди и железа.

Гистоны - это белки основного характера, с молекулярной массой 12000-24000. Основные их функции заключаются в стабилизации пространственной структуры ДНК, а, следовательно, хроматина и хромосом. Регуляторная функция этих белков заключается в способности блокировать передачу генетической информации от ДНК к РНК.

Протамины значительно отличаются аминокислотным составом и структурой, обладают резко выраженными основными свойствами из-за большого (80%) содержания аргинина. Их молекулярная масса не превышает 5000. Они, как и гистоны, поликатионные белки и связываются с ДНК в хроматине спермиев.

6.2 вопрос. Нуклеопротеины, химическое строение ДНК, РНК, биологическая роль.