/

\27. Уровни структурной организации белков. Основные параметры пептидной связи. Торсионные углы φ и ψ. Конформационные карты Рамачандрана. Элементы вторичной структуры (α-спираль, другие типы спиральных структур, β-складки, β-поворот).

Белки-природные высокомолекулярные неразветвленные (линейные) полимеры, построенные из остатков α-аминокарбоновых кислот, соединенных амидной (пептидной) связью.

1. Первичная структура

Это линейная последовательность аминокислот, соединённых ковалентными пептидными связями. Пептидная связь – не двойная и не одинарная, а полуторная!

• Определяется генетической информацией (последовательностью нуклеотидов в ДНК).

• Влияет на все остальные уровни структуры, так как порядок аминокислот определяет их взаимодействие и свёртывание.

• В первичной структуре важны такие свойства, как химическая природа боковых групп аминокислот (гидрофобность, заряд, полярность).

2. Вторичная структура

Регулярные структуры, образуемые за счёт водородных связей между атомами пептидной цепи (между атомами C=O и N—H)разных ак остатков. Вторичной структурой называют пространственное расположение атомов главной цепи молекулы белка на отдельных, более или менее протяженных ее участках.

цис-транс изомерия пептидной группы- все только транс кроме пролина у него есть 10% цис. Связь имеет кето-енольную форму.

При появлении боковых радикалов углы меняются. На основании этого снимаются карты Рамачандрана. Эти карты представляют собой способ визуализирования энергетически разрешенных областей для двугранных углов ψ основной цепи в зависимости от φ аминокислотных остатков в структуре белка. третичная структура белка — или конформация глобулы — может быть определена как совокупность торсионных углов ϕ и ψ всех составляющих его аминокислотных остатков.

Как правило, карты Рамачандрана описывают конформацию целых молекул белка; каждая точка на карте обозначает один аминокислотный остаток. На практике карты Рамачандрана используются для демонстрации присутствия в белке тех или иных вторичных и сверхвторичных структур (структурных мотивов); строго говоря, карты Рамачандрана позволяют обнаружить так называемые регулярные структуры. Примерами регулярных структур являются α-спирали и β-листы.

Основные элементы:

• α-спираль 3.6₁₃ Правозакрученная спираль, стабилизированная водородными связями между каждым n-ым и (n+4)-ым остатками, стабилизированная водородными связями между атомом водорода группы -NH и атомом кислорода группы -C=O, расположенными на главной цепи с интервалом в 3,6 аминокислотных остатка.(левая тоже есть, как минимум по карте ромачпыпыпыпыр выделяется, хз почему матвеев не упомяняет)

Спираль характеризуется: 1. Количество АК-остатков на виток (n) 2. Период идентичности (шаг) (h) 3. Количество атомов, входящих «кольцо» формируемое внутримолекулярной водородной связью.

• Углы торсионных углов φ ≈ -60°(фи) и ψ ≈ -45°(пси) (обр при вращении), иногда описывается угол омега .

• 3.6 аминокислотных остатков на виток. Водородная связь образует 13 –членное «кольцо»

• Шаг спирали — 0,54 нм

• диаметр 1.5 нм

• угол поворота 100

• Обозначение:3,613-Р-спираль

Стабильность: Укрепляется короткими боковыми цепями (например, аланин), ослабляется большими или заряженными боковыми группами. Критерии дестабилизации и стабилизации спирали 1. Стерические факторы (Asp, Asn, Ser, Thr, Cys, Gly - ослабляют) 2. Электростатические взаимодействия боковых радикалов (Glu, Asp, Lys, Arg - ослабляют) 3. Присутствие остатков Pro и Gly - ослабляют 4. Взаимодействие между радикалами АК i – i+3 или i – i+4 (Glu-Lys, 2 аром. АК - усиливают) 5. Взаимодействие остатков концевых АК с электрическим диполем спирали - зависит от АК.

Примеры белков: Миоглобин, гемоглобин.

Другие типы спиральных структур

3_10-спираль Тоже правозакрученная, но более вытянутая спираль. Водородные связи образуются между каждым третьим аминокислотным остатком. Шаг спирали: 0,6 нм.

π-спираль 4.4₁₆ Правозакрученная спираль с более свободным шагом. Водородные связи формируются между каждым пятым остатком. Шаг спирали: 0,45 нм.

β-конформации

β-складка Формируется при взаимодействии двух или более β-цепей, соединённых водородными связями между карбонильными и амидными группами соседних цепей.

Типы β-листов:

• Параллельные: Цепи ориентированы в одном направлении; водородные связи наклонены.

• Антипараллельные: Цепи противоположно направлены; водородные связи перпендикулярны.

  • Углы φ и ψ зависят от ориентации цепей.

  • Фиброин шёлка, иммуноглобулины

Основные критерии стабилизации складчатой структуры 1. Требуется наличие гидрофобных боковых радикалов 2. Ароматические АК 3. Небольшие заместители R в АК 4. Pro не участвуют в образовании складчатой структуры

• β-повороты (или бета изгибы)

Описание: Короткий участок цепи (4 остатка), изменяющий направление полипептидной цепи обычно на 180°.Стабилизация: Водородные связи между первым и четвёртым остатками. Классификация: Типы I, II, III, IV (в зависимости от углов φ и ψ и пространственного положения атомов). Часто встречается в белках, связывая β-листы и другие элементы структуры (альфа-спирали). Необходимы для того, чтобы белок смог образовывать компактные структуры.

3. Третичная структура

Трёхмерная укладка полипептидной цепи, включающая все вторичные структуры.

• Основные типы взаимодействий:

  • Гидрофобные взаимодействия между неполярными боковыми цепями.

  • Ионные взаимодействия между заряженными группами.

  • Водородные связи.

  • Дисульфидные мостики (ковалентные связи между остатками цистеина).

  • Координационные связи

• Структура определяется также наличием доменов — функциональных областей белка.

• Третичная структура – основа функциональности белка.

4. Четвертичная структура

Сложная структура, формируемая несколькими полипептидными цепями (субъединицами). Очень часто связываются бета-субъединицы различных белков

• Примеры:

  • Гемоглобин (четыре субъединицы).

  • Вирусные капсиды.

• Стабилизируется теми же взаимодействиями, что и третичная структура.

Имеют большое влияние гидрофобные силы в больших белках, так как они создают большой заряд ( если около 18 гидрофобных остатков), в основном гидрофобные белки конденсируются на поверхности и играю большую роль.

28. Супервторичная структура. Мотивы вторичной структуры (на примере днк-связывающих белков). Силы, стабилизирующие пространственную структуру белков.

Супервторичная структура представляет собой комбинации элементов вторичной структуры (α-спирали, β-листы, повороты и петли), которые формируют устойчивые пространственные мотивы. Эти мотивы являются промежуточным уровнем между вторичной и третичной структурами, участвуют в формировании активных центров и обеспечивают стабильность белка.

По наличию а-спиралей и b-структур глобуляр­ные белки могут быть разделены на 4 категории:

1. только а-спирали, например миоглобин и гемоглобин .

2. а-спирали и b-структуры. ЛДГ.

3. только b-структуру. Такие структу­ры обнаружены в иммуноглобулинах, в ферменте супероксиддисмутазе

4. лишь незначительное ко­личество регулярных вторичных структур. К таким белкам можно отнести небольшие богатые цистином белки или металлопротеины.

В ДНК-связывающих белках имеются общие виды супервторичных структур: «спираль— поворот—спираль», «лейциновая застежка-молния», «цинко­вые пальцы». ДНК-связывающие белки содержат центр связывания, комплементарный участку ДНК с определенной нуклеотидной последовательностью.

Домен – это часть полипептидной цепи (или вся цепочка), которая сворачивается независимо в стабильную третичную структуру. Доменами в белках называют области в третичной структуре, которым свойственна определенная автономия структурной организации.

Классификация типов глобулярных белковых структур («чистые» α-белки, «чистые» β-белки, и «смешанные» α/β и α+β белки) относится к малым белкам, а также к отдельным доменам (т.е. к компактным субглобулам, из которых сложены большие белки).

α-белки- цитохром с, хемэритин, геммаглютин Н2

β-белки- ингибитор субтилизина из Streptomyces, Флаводоксин и какие-то истеразы что-ли, Рубредоксин

α-Спираль:

Широко представлена в ДНК-связывающих белках, таких как белки спирально-поворотно-спирального мотива (helix-turn-helix).

• Взаимодействует с большим желобком ДНК, обеспечивая специфичность связывания - одна более короткая, другая более длинная, соеди­ненные поворотом полипептидной цепи.

«Цинковый палец» –(ДНКсвязывающие белки) фрагмент белка, содержа­щий около 20 аминокислотных остатков. Атом цинка связан с радикалами 4 аминокислот: 2 остатков цистеина и 2 — гистидина. В некоторых случаях вместо остатков гистидина находятся остатки цистеина. Этот участок белка образует а-спираль, которая может специфично связываться с регуляторными участками большой бороздки ДНК.

«Лейциновая застежка-молния»

Взаимодействующие белки имеют а-спиральный участок, содержащий по крайней мере 4 ос­татка лейцина. Лейциновые остатки расположены через 6 ами­нокислот один от другого. Так как каждый виток а-спирали содержит 3,6-аминокислотного остатка, радикалы лейцина находятся на поверхности каждого второго витка. Лейциновые остатки а-спирали одного белка могут взаимодействовать с лейциновыми остатка­ми другого белка (гидрофобные взаимодействия), соединяя их вместе.

Примером таких белков мо­гут служить гистоны. Гистоны — ядерные белки, в состав которых вхо­дит большое количество положительно заряжен­ных аминокислот — аргинина и лизина (до 80%). Молекулы гистонов объединяются в олигомерные комплексы, содержащие 8 мономеров с по­мощью «лейциновых застежек», несмотря на силь­ный положительный заряд этих молекул

Есть еще бета-шпилька

Силы стабилизирующие пространственную структуру

1. Ковалентные связи:

• Дисульфидные мостики:

  • Образуются между остатками цистеина (–SH группы), обеспечивая прочную связь между частями полипептидной цепи или разными цепями.

  • Особо важны для стабилизации третичной и четвертичной структуры белков.

2. Водородные связи:

• Вносят вклад в формирование вторичной структуры:

  • Между атомом водорода в амидной группе и атомом кислорода в карбонильной группе.

  • Стабилизируют α-спирали и β-листы.

• Также играют роль в удержании специфических структурных мотивов.

3. Гидрофобные взаимодействия:

• Гидрофобный эффект:

  • Неполярные боковые цепи аминокислот стремятся избегать контакта с водой, что приводит к их укладке внутрь белковой глобулы.

  • Влияет на стабилизацию третичной структуры.

4. Ионные взаимодействия (электростатические):

Все гидрофильные группы радикалов аминокислот, оказавшиеся внутри гидрофобного ядра, взаимодействуют друг с другом с помощью ионных и водородных связей.

• Включают взаимодействие между заряженными боковыми цепями аминокислот (например, аспартат и лизин).

• Стабилизируют как третичную, так и четвертичную структуры.

5. Вандерваальсовы силы:

• Слабые взаимодействия между всеми атомами белка.

• Особенно важны в областях плотной упаковки атомов, где они вносят вклад в общую стабильность структуры.

6. Металлические связи:

• В некоторых белках присутствуют металлические ионы (например, Zn²⁺, Fe²⁺), которые координируются с определёнными боковыми цепями аминокислот.

• Пример: цинковые пальцы, стабилизирующие ДНК-связывающие домены.

7. Пи-стэкинг и дипольные взаимодействия:

• Возникают между ароматическими остатками (например, фенилаланин, тирозин, триптофан) и другими элементами структуры.

29. Супервторичная структура. Структурные мотивы для α,-спиральных белков. Строение β-белков. Строение α,- и a–β-белков. Характерные мотивы укладки белковой цепи в α, β, α/β и α+β белках.

β-Структуры:

• Могут образовывать β-листы, которые часто участвуют в связывании молекул ДНК через водородные связи или гидрофобные взаимодействия.

• Примеры: "греческий ключ", β-цилиндры, β-сэндвичи.

Мотивы типа βαβ:

• β-петли, часто образующиеся между β-листами и α-спиралями, являются структурными элементами в ДНК-связывающих доменах, например, в цинковых пальцах.

"Греческий ключ":

• Пространственный мотив, который встречается в β-листах. Такой мотив может участвовать в формировании взаимодействий между белком и ДНК.

Мотивы abcd

1. Структурные мотивы(супервторичная структура и есть) для α-спиральных белков

α-Спиральные белки характеризуются преобладанием α-спиралей в их вторичной структуре. Такие белки формируют компактные, часто симметричные глобулы, стабилизированные различными взаимодействиями.

Примеры структурных мотивов:

1. Спираль-поворот-спираль (helix-turn-helix):

   • Характерен для ДНК-связывающих белков.

   • Состоит из двух α-спиралей, связанных коротким поворотом.

2. Коилд-койл (coiled coil):

   • Представляет собой две α-спирали, закрученные друг вокруг друга.

   • Пример: белок миозина, фибриллярные белки.

3. Пучок спиралей (4-helix bundle):

   • Несколько α-спиралей, упакованных параллельно или антипараллельно.

   • Пример: миоглобин.

4. Гемоглобиновый мотив:

   • Объединяет несколько α-спиралей в функциональный белок, взаимодействующий с ионами металлов или органическими молекулами.