3.4. Структура высокомолекулярных пептидов - белков

Высокомолекулярные пептиды содержат тысячи, десятки тысяч аминокислот в составе цепи. Соединяясь друг с другом пептидными связями, аминокислотные остатки формируют непрерывный остов пептидной цепи –линейный биополимер, представляющий собой первичную структуру бел- ка (рис.11).

Рис.11. Первичная структура молекулы белка

Пептидная цепь обладает значительной гибкостью. В результате внутрицепочных взаимодействий за счет вращения вокруг связей она приобретает определенную объемно-пространственную трехмерную структуру (конформацию). Пептидная связь –СО-NH- имеет частично характер двойной, поэтому вокруг нее вращение невозможно. Вокруг свя- зей –NH-С_αН- и С_αН-СО- вращение возможно (рис.12). Это позволяет пептидной цепи изгибаться причудливым образом, образуя строго определенную конформацию вторичной структуры за счет образования водородных связей между карбонильной группой (-СО-) одного аминокислотного остатка и аминогруппой (-NH-) другого удаленного по цепочке от нее на расстояние четырех аминокислотных остатков.

Конформациями молекулы называются такие варианты распо- ложения в пространстве составляющих молекулы атомов, которые могут быть получены один из другого путем вращения одинарных ковалентных связей в белках. Различают 2 типа конформаций полипептидных цепей: вторичную и третичную.

Рис. 12. Пространственная модель вращения аминокислотных остатков

3.4.1. Вторичная структура белка

Вторичная структура белка – это пространственная структура, которая формируется в результате образования водородных связей между атомом кислорода карбонильной группы (СО) и атомом водорода аминогруппы (NH) , входящими в состав пептидного остова.

Известны 3 основных типа вторичной структуры пептидных цепей: α-спираль, β-структура (складчатый слой) и беспорядочный клубок.

Образование 3 типов вторичной структуры зависит от характера первич- ной структуры, а именно, химических свойств боковых радикалов аминокислот, которые непосредственно не участвуют в образовании свя- зей, но определяют, каким образом пептидная цепь может свернуться и может ли свернуться вообще.

Одной из причин такого распределения, является то, что одноимен- ные радикалы, отталкиваясь, препятствуют образованию как α–спирали, так и β–структуры; не образуется α–спираль и β–структура на участках, содержащих остатки пролина и т.д.

В α-спирали NH-группа одного остатка аминокислоты соединяется водородной связью с СО-группой пятого от нее остатка (рис.13). В итоге образуется спираль, где на 1 виток приходится в среднем 3,6 аминокис- лотных остатков, шаг спирали равен 0,54мм, диаметр спирали - 0,5мм. Водородные связи ориентированы вдоль оси спирали (рис.14).

Рис.13. Принцип образования α-спирали: NH-группа 5-го остатка связана водородной связью с СО-группой 1 остатка (n-4)

Рис. 14. α-спираль пептидной цепи.

В образовании α–спирали принимают участие почти все атомы водорода и кислоро- да пептидных групп; множество возникающих водородных связей стягивают линейный полимер в α-спираль, делая устойчивей конфигурацию пептидного остова. Так как, все гидрофильные группы пептидного остова участвуют в образовании водородных связей, гидрофильность (т.е., способность образовы- вать водородные связи с водой) α-спирали уменьшается, а гидрофобность увеличивается. Радикалы α-спирали расположены на ее наружной стороне и направлены в сторону от пептидного остова (рис.15).

Рис.15. α-спираль в поперечном разрезе.

Боковые ветви (обозначены черным

цветом) находятся снаружи спирали.

Они не участвуют в образовании α-спирали. Например, пролин, у которого атом азота, образующего пептидную связь не имеет водорода и, таким образом, формирование водородной связи в данном месте невозможно; в этом месте у α-спирали возникает петля или изгиб. Метионин и триптофан также из-за громоздкости своих радикалов механически нарушают формирование α-спирали.

β-структура (β-складчатый слой) (рис.16) формируется за счет образования множества водородных связей между атомами пептидных групп линейных цепей:

1 - если в образовании β-структуры принимает одна полипептидная цепь, то за счет β-поворота или β-изгиба, она поворачивается на 180^º и идет вдоль самой себя в обратном направлении. Между функциональными группами образовавшихся складок возникают водородные связи. β-изгиб образуют 4 аминокислотных остатка (рис.17);

Рис.16. Схематическое изображение β–структуры (β–складчатый слой)

2 - если β-структура образуется двумя полипептидными цепями ,то водородные связи возникают между функциональными группами этих полипептидных цепей. β-изгиб может возникать между ά-спиральными участками разной направленности. β – структура образует фигуру, подобную листу, сложенному «гармошкой» (рис.18).

Рис.17. β-изгиб

Рис.18. Вторичная структура белка

в виде складчатого слоя

Если водородные связи образуются между участками изгиба одной цепи, то их называют внутрицепочечными, если между цепями – межцепочечные. Водородные связи располагаются перпендикулярно полипептидной цепи. Если связанные несколько цепей полипептида направлены противоположно, а N- и С-концы не совпадают, то возникает антипараллельная β–структура, если совпадают – параллельная β-струк- тура (рис.19).

Рис.19. Параллельный и антипараллельный β-складчатые слои:

β-структуры обозначены широким стрелками. А – анти -