Белки- строение

В ходе многочисленных исследований, история которых начинается с первого десятилетия XIX века, было установлено, что белковая молекула представляет собой линейный полимер, построенный из аминокислот , соединенных между собой валентными амидными связями ( пептидными связями ).

Изученные к настоящему времени белки, согласно предложенной У.Астбэри классификации [ Astbury WT et al,1935 ], можно разделить на два больших класса по способности принимать в растворе определенную геометрическую форму : фибриллярные (вытянyтые в нить) и глобулярные (свернутые в клубок), каждый из которых подразделяется на несколько групп.

Многие белки, как фибриллярные, так и глобулярные, обладают способностью образовывать прочные комплексы определенной стехиометрии, компоненты которых удерживаются вместе нековалентными силами. Говоря о строении белка, различают:

первичную структуру - последовательность аминокислот , прочитываемую, начиная от С-конца молекулы, в направлении к N-концу,

вторичную структуру - наличие и локализацию альфа-спиральных участков цепи и участков, сложеных в бэта-структуры ,

третичную структуру ( пространственная структура ) - взаимное расположение аминокислотных остатков молекулы белка в пространстве и

четвертичную структуру - компонентный состав, стехиометрию и взаимную ориентацию субъединиц комплекса, в том случае, когда молекулы белка обладают способностью к его образованию.

Согласно современным представлениям первичная структура белковой молекулы практически однозначно определяет то, как сложится полипептидная цепочка в пространственную структуру (ее фолдинг ) [ ххх ] и, по-видимому, также определяет комплексообразование белковых молекул, т.е. вторичную, третичную и четвертичную структуры белка. Вместе с тем предполагается [ Monod J et al, 1965 ], что у многих белков (например аллостерические ферменты ) первичная структура определяет не одну, а несколько возможных пространственных структур ( конформаций ), в каждой из которых с определенной вероятностью может находиться молекула белка.

Исследования Сведберга [ Svedberg Т., 1929 ] показали,что молекулярные массы различных белков, приблизительно пропорциональные длине цепочки, кратны некоторой минимальной массе, равной примерно 17600. Это интересное обстоятельство, возможно, является свидетельством того, что при возникновении жизни древние гены, кодировавшие про-белки, появлялись как самостоятельные единицы, одинаковая длина которых определялась физико-химическими законами спонтанной полимеризации нуклеотидов, а современные гены сшиты из фрагментов, являющихся копиями древних генов [ Trifonov EN, 1995 ].

Пространственная структура белка зависит от физико-химических условий в растворе (температура, рН, ионая сила). Нативная структура , которую имеет белок при физиологических условиях, может измениться при изменении условий. Повышение температуры и изменение рН может привести к денатурации белка, к изменению его пространственной структуры.

Первичная структура белка - это последовательность ковалентно связанных пептидными связями аминокислот, составляющих белок. Эта последовательность, как правило, записывается, начиная с N- конца полипептидной цепочки. Первой первичной структурой, которая была расшифрована, была последовательность аминокислот в полипептидных цепях гормона инсулина. Эта работа была сделана Фредериком Сэнгером [ Sanger F, 1952 ] в лаборатории Кэмбриджского Университета (Великобритания). В настоящее время установлена аминокислотная последовательность ( первичная структура) многих тысяч белков. Определение аминокислотных последовательностей основано на принципах, которые впервые были развиты Сэнгером (http://humbio.ru/humbio/01122001/prot_dr/0000441d.htm ). Полученные усилиями многих исследователей данные о первичных структурах большого количества белков можно найти в базе данных Swiss-Prot http://humbio.ru/humbio/01122001/prot_dr/x0007a1c.htm

.

Белки: структура: вторичная

Полипептидная цепь белка, складываясь в компактную форму, может образовывать некоторое количество фрагментов, имеющих регулярную структуру. Таких фрагментов известно три: альфа-спираль , бэта-структура и поворот . В случае фибрилярных белков, как правило, вся полипептидная цепь целиком складывается в одну из двух регулярных структур : альфа-спираль или бэта- структуру. В структуре глобулярных белков могут встречаться фрагменты регулярного строения всех трех типов в любой комбинации, но может не быть и ни одного. Эти фрагменты и их сочетание в некотором белке, если они имеются, принято называть вторичной структурой этого белка. Повторяющиеся, более сложные комбинации, образованные из трех фрагментов регулярной структуры, иногда называют супервторичной структурой.

Данные о вторичной и супервторичной структурах большого числа белков можно найти в БАЗЕ ДАННЫХ ВТОРИЧНЫХ И СУПЕРВТОРИЧНЫХ СТРУКТУР - http://humbio.ru/humbio/01122001/prot_dr/x0002958.htm

Белки: структура: третичная (пространственная)

В растворе при физиологических условиях полипептидная цепь сворачивается в компактное образование, имеющее определенную пространственную структуру, которую называют третичной структурой белка, и которая практически полностью определяется первичной структурой белка. В настоящее время с помощью методов рентгеноструктурного анализа и ядерной магнитной спектроскопии (ЯМР-спектроскопия) определены пространственные (третичные) структуры большого числа белков. Почти все эти данные можно найти в Брукхейвенской базе данных по белкам, к которой имеется свободный доступ через Интернет (http://www.pdb.bnl.gov ).

Белки: структура: четвертичная

Огромное значение в биологических процессах имеет способность белковых молекул и пептидов к высокоспецифическому взаимодействию, при котором одна белковая молекула "узнает" партнера среди множества других белковых молекул и образует с ним и только с ним прочный комплекс.

Такие комплексы образуются при взаимодействиии антиген - антитело , при формировании олигомерных ферментов из субъединиц, при самосборке субклеточных структур из субъединиц, при морфогенезе и в ряде других важных биологических процессов. Субъединичный состав и взаимная ориентация субъединиц белка, являющегося белок-белковом комплексом, образованным специфически взаимодействующими субъединицами (одинаковыми или различными белковыми молекулами), связаными нековалентными связями, является его четвертичной структурой.

В отличие от мономерного белка, пространственная третичная структура которого (конформация) является для него единственно возможной и однозначно определяется последовательностью аминокислот в его полипептидной цепи, белок-комплекс может иметь несколько пространственных четвертичных структур (конформаций), которые отличаются взаимным расположением субъединиц в комплексе и, возможно, энергией ассоциации.

Четвертичная структура комплекса имеет важное значение для функции, которую выполняет белок. Одинаковые по субъединичному составу, но отличающиеся взаимным расположением субъединиц, белковые комплексы могут радикально отличаться по проявляемым ими своим физическим и химическим свойствам. Такая ситуация, по-видимому, имеет место, например, в случае олигомерных ферментов, когда наблюдается аллостерическая регуляция каталитической активности низкомолекулярными эффекторами. Предполагается, что аллостерический фермент (белковый комплекс) проявляет каталитическую активность (имеет активный центр) , находясь лишь в некоторых из многих возможных четвертичных структур (конформаций), при образовании которых активный центр "составляется" из фрагментов субъединиц в месте их соединения, в то время как при других вариантах соединения в четвертичную структуру активный центр "не составляется" и в этих конформациях фермент неактивен [ Drozdov-Tikhomirov LN et al , 1999 ] . Эффектор - активатор, связывается только с активными четвертичными структурами, работает как скрепка и стабилизирует молекулы, имеющие такие структуры, увеличивая долю молекул фермента, находящихся в активном состоянии. Ингибитор, напротив, связывается только с молекулами фермента, имеющими неактивную четвертичную структуру и, стабилизируя их, увеличивает долю молекул фермента, находящихся в неактивной форме (не имеющих активного центра). Рис. 2 dr (http://humbio.ru/humbio/01122001/prot_dr/00008433.htm )

Об аллостерической регуляции можно посмотреть здесь: http://humbio.ru/humbio/ssb/00163db4.htm

ФОЛДИНГ-ФОРМИРОВАНИЕ ТРЕТИЧНОЙ СТРУКТУРЫ СИНТЕЗИРОВАННЫХ БЕЛКОВ

Фолдинг и системы защиты вновь синтезированных полипептидных цепей от деградации

В процессе трансляции растущие полипептидные цепи приобретают высокоспецифическую пространственную структуру, которая формируется полностью после завершения биосинтеза. Процесс сворачивания полипептидной цепи в пространственную структуру получил название фолдинга. В результате фолдинга в водных растворах у водорастворимого полипептида уменьшается свободная энергия, гидрофобные остатки аминокислот упаковываются преимущественно внутрь молекулы, а гидрофильные остатки располагаются на поверхности белковой глобулы.

Правильное сворачивание ( фолдинг ) полипептидных цепей некоторых белков в клетках эукариот обеспечивается специфическими белками, называемыми шаперонами, которые необходимы для эффективного формирования третичной структуры полипептидных цепей других белков, но не входят в состав конечной белковой структуры. Новосинтезированные белки после выхода с рибосом для правильного функционирования должны укладываться в стабильные трехмерные структуры и оставаться такими на протяжении всей функциональной жизни клетки. Поддержание контроля качества структуры белка осуществляется шаперонами, специальными белками, катализирующими укладку полипептидов.

Гидрофобные области образуются и на внешней поверхности молекул белков, формируя полости активных центров и места контактов субъединиц мультимерных белков друг с другом и биологическими мембранами. Увеличение гидрофобности поверхности белков снижает их внутриклеточную стабильность, так как множество протеолитических ферментов гидролизуют с большой скоростью пептидные связи, образуемые гидрофобными аминокислотами или находящиеся вблизи от них.

Опасность протеолитической деградации для растущей полипептидной цепи возникает после ее появления на поверхности транслирующей рибосомы. Установлено, что около 1/3 синтезированных полипептидных цепей претерпевает протеолитический распад сразу после завершения их синтеза рибосомами. Большинство вновь синтезированных белков не распадается благодаря образованию комплекса NAC (nascent polypeptide associated complex) , ассоциированного с растущими полипептидными цепями. Имеется группа белков с молекулярными массами 21-33 кДа, которые взаимодействуют как с такой цепью, так и с самой рибосомой, предохраняя растущий полипептид от деградации путем формирования NAC. Когда же гидрофобная сигнальная последовательность синтезируемого белка достигает длины примерно в 70 аминокислотных остатков и покидает NAC, с ней взаимодействует комплекс белков SRP (signal recognition particle) , который не только предохраняет гидрофобную часть растущего полипептида от ранней деградации протеиназами, но и направляет ее к месту назначения - к мембранам эндоплазматического ретикулума.

Растущие полипептидные цепи, у которых отсутствует сигнальная последовательность, покидая NAC, взаимодействуют с обеспечивающей фолдинг системой, в состав которой входят шапероны Hsp70 и Hsp40 . Белки теплового шока (Hsp - heat shock protein) , образуя комплекс с растущей полипептидной цепью, предотвращают их неспецифическую агрегацию и деградацию под действием внутриклеточных протеиназ, способствуя их правильному фолдингу, происходящему с участием других шаперонов. Hsp70 принимает участие в ATP-зависимом разворачивании полипептидных цепей, делая неполярные участки полипептидных цепей доступными действию протеолитических ферментов.

Сигнальные последовательности аминокислотных остатков обеспечивают направленную доставку вновь синтезированных белков к внутриклеточным органеллам и микрокомпартментам. Они оказывают влияние на характер фолдинга, посттрансляционные модификации и метаболическую стабильность. Существуют пять биохимических процессов с участием вновь синтезируемых белков, контролируемых сигнальными последовательностями аминокислотных остатков: транслокация белка через плоскость мембраны; внутриклеточный перенос белка без пересечения плоскости мембраны; химические модификации белка без гидролиза пептидных связей; расщепление некоторых пептидных связей в белке; конформационные и иные пространственные изменения белков, включая фолдинг и олигомеризацию полипептидных цепей.

Время существования внутриклеточных белков может различаться на несколько порядков. Структурные и конститутивно экспрессирующиеся белки обычно обладают большой продолжительностью жизни, регуляторные белки, как правило, быстро распадаются. Протеолитический гидролиз регуляторных белков, который может точно регулироваться, позволяет эукариотической клетке быстро переключаться с одной функциональной программы на другую.

Большинство внутриклеточных белков заканчивают существование в результате протеолитического гидролиза, превращаясь в небольшие пептиды и свободные аминокислоты, которые утилизируются в синтезе новых белков.

Многие протеолитические ферменты используют в качестве субстратов индивидуальные белки. Имеется множество протеиназ широкой субстратной специфичности, чья неразборчивость в субстратах компенсируется их строгой компартментализацией. Они локализованы в лизосомах и вакуолях, где гидролизуют любые белки после их попадания в эти органеллы. Такая компартментализация протеолитических ферментов является жизненно важным условием существования клетки. Система протеолитической деградации внутриклеточных белков с участием протеасом и убиквитина отличается от вышеописанных систем тем, что, обладая широкой субстратной специфичностью, она безопасна для окружающих белков и реагирует на регуляторные воздействия.