3. Вторичная структура белка

Вторичная структура белка может иметь упорядоченный характер (а-спираль, р-структура, коллагеновая спираль и др.) или иметь вид неупорядоченного (статистического) клубка.

а - спираль - правозакрученная спираль (в которую полипептидная цепь свертывается как телефонный шнур). Водородные связи образуются между атомом кислорода карбоксильной группы и водородом амидного азота пептидного остова через 4 аминокислоты; боковые цепи аминокислотных остатков располагаются по периферии спирали, не участвуя в образовании водородных связей. И С=О и N-H связи направлены параллельно оси спирали и попарно противостоят друг другу; такое их расположение оптимально для образования водородной связи, и следовательно, для стабилизации а-спирали.

п-структура - В этом случае участки полипептидных цепей или же одной и той же полипептидной цепи после ее перегиба уложенВГрядом друг с другом и соединены между собой водородными связями, образующимися опять-таки за счет взаимодействия группировок -СО- и - NH- близко расположенных участков белковой молекулы.

Различают две разновидности р-структуры:

1. р-структура с параллельным ходом полипептидных цепей (когда участки полипептидной цепи имеют одинаковое направление

NH₂-.............................>--------------------------СООН

NH₂______________>--------------------------СООН

2 . Антипараллельная р-структура возникает при взаимодействии между собой участков полипептидной цепи или цепей с противоположными направлением |

NH₂______________>--------------------------СООН

РПОН — < "МТ4

Неупорядоченный (статистический) клубок на самом деле не такой уж беспорядочный клубок - это область белка с нерегулярной вторичной структурой (т.е. по конформации их нельзя отнести ни к а - спирали, ни к р-структуре^

4. ТРЕТИЧНАЯ СТРУКТУРА БЕЛКА

Полипептидная цепь, содержащая элементы вторичной структуры, за счет пластичности неструктурированных участков складывается в определенную пространственную структуру типа нити для фибриллярных белков или типа искаженной сферы для глобулярных белков.

В стабилизации третичной структуры белковых молекул принимают участие различные типы взаимодействий:

1. Ковалентные: - дисульфидные мостики

- изопептидные связи

- сложно-эфирные связи

2. Полярные: - ионные связи

-водородные связи

-силы Ван^Адер-Ваальса (ион-диполь, ион-индуцированный диполь, диполь-диполь и т.д.)

3. Аполярное или гидрофобное взаимодействие, основанное на стремлении белковой глобулы к повышению устойчивости системы за счет исключения контакта гидрофобных радикалов с молекулами воды.

Способность белков к небольшим изменениям конформации за счет разрыва одних и образования других слабых связей получила название конформационной лабильности белков.

Движущей силой пространственной упаковки молекулы белка является стремление гидрофобных радикалов избежать контакта с водой. Иначе говоря, полипептидная цепь самопроизвольно укладывается в глобулу так, чтобы гидрофобные радикалы были погружены внутрь глобулЦ. А сам характер укладки полипептидной цепи определяется первичной структурой белковой

молекулы.Для третичной структуры глобулярных белков характерна весьма высокая плотность упаковки. Она настолько велика, что внутрь молекулы белка не могут проникать даже молекулы воды. Полипептидная цепь складывается таким образом, что большая часть гидрофобных радикалов аминокислот оказывается внутри глобулы, образуя ее гидрофобное ядро.

По периферии глобулы находится большинство гидрофильных радикалов аминокислот. Они взаимодействуют с водной фазой, обеспечивая растворимость глобулярных белков в воде. Небольшая часть гидрофильных радикалов с полярными или заряженными группировками все же оказываются внутри глобулы. Они взаимодействуют друг с другом, участвуя тем самым в стабилизации пространственной структуры.

В то же время некоторая часть гидрофобных радикалов также оказывается на поверхности глобулы. Иногда они сгруппированы вместе, образуя гидрофобные кластеры на поверхности молекулы. Эти участки имеют существенное значение во взаимодействии белком между собой, а также при их взаимодействии с гидрофобными структурами типа углеводородных радикалов жирных кислот или липидной фазы клеточных мембран.

Некоторые структурные белки имеют на поверхности глобул так много гидрофобных радикалов, что они нерастворимы в воде. Это естественно, так как в клетке они входят в состав ее мембран и по характеру своих функций должны хорошо взаимодействовать с гидрофобной фазой мембранных структур. Характерной чертой этих белков является склонность к агрегации в водной фазе.

Третичная структура уникальна для каждого отдельного белка. Лишь при наличии этой, присущей данному белку трехмерной структуры, белок обладает определенными свойствами, в том числе, что особенно важно, свойствами биологическими. Подобного рода конформация белковой молекулы получила название нашивной конфирмации.

Формирование этой конформации обеспечивается в результате взаимодействия аминокислотных радикалов цепи как между собой, так и с окружающими молекулами воды, т.е. представляет собой кооперативный процесс, основанный на различного типа преимущественно нековалентных взаимодействий.

Значение нативной конформации: только при одном способе упаковки полипептидной цепи в определенной части ее молекулы формируется функциональный центр, состоящий из определенного набора пространственно ориентированных друг по отношению к другу аминокислотных радикалов. Эти аминокислоты по ходу полипептидной цепи обычно расположены далеко друг от друга и сближаются лишь при формировании нативной конформации.

При формировании нативной структуры имеют значение:

1) первичная структура.

2) порядок схода синтезируемой полипептидной цепи с рибосомы

3) функционирование шаперонов - белков, корректирующих конформацию за счет перестройки дисульфидных мостиков. Белки с "неправильной" конформацией разрушаются внутриклеточными протевназами (в лизосомах).

Следует отметить, что нативная конформация белковой молекулы представляет собой в определенной степени динамическую систему. Это значит, что трехмерная структура молекулы белка может изменяться в определенных пределах. Такие конформационные изменения белковая молекула претерпевает, например, в процессе своего функционирования, взаимодействия с другими белками, нуклеиновыми кислотами или различными низкомолекулярными компонентами клетки.

У белков, образованных одной полипептидной цепью, нативная структура обычно представляет собой одно компактное образование, каждая часть которого не может существовать сама по себе, сохраняя структуру, которой она обладала в исходной глобуле. Однако в трехмерной структуре больших белков обнаруживаются не одна, а несколько в той или, иной степени независимо образованных компактных областей, получивших название ^белковых модулей или доменов. Благодаря доменной структуре белков легче формируется их трехмерная структура.

ДОМЕНЫ - области белковых молекул, самопроизвольно формирующиеся из элементов вторичной структуры, обладающие относительной структурной и функциональной активностью.

Центры связывания белка с лига\ндом часто располагаются между доменами, например в молекуле трипсина -протеолитического фермента имеется 2 домена, между которыми располагается центр связывания трипсина с его лигандом -пищевым белком. Активный центр гексокиназы - фермента, катализирующего фосфорилирование глюкозы с помощью АТФ, располагается в расщелине между 2 доменами. При связывании гексокиназы с глюкозой окружающие ее домены смыкаются и субстрат оказывается в «ловушке», где и протекает фосфорилирование.

В некоторых белках домены выполняют самостоятельные функции, связываясь с различными лигандами. Такие белки называются многофункциональными белками

4. Четвертичная структура белков. Кооперативные изменения конформации протомеров. Примеры строения и функционирования олигомерных белков: гемоглобин, аллостерические ферменты. Надмолекулярные белковые комплексы, их состав, биологическая значимость. Самосборка надмолекулярных белковых структур. Примеры надмолекулярных белковых комплексов, их функции.

5. ЧЕТВЕРТИЧНАЯ СТРУКТУРА.

В состав ряда белков входит не одна полипептидная цепь, а несколько, обладающих определенной структурной и функциональной индивидуальностью. Каждая отдельная полипептидная цепь, носит название субъединицы или протомера, а такие белки называются олигомерами или олигомерными белками.

Взаимное расположение субъединиц в пространстве, а также совокупность субъединичных контактов и взаимодействий носит название четвертичной структуры белковой молекулы.

В стабилизации четвертичной структуры белковой молекулы принимают участие те же самые взаимодействия, что и при стабилизации третичной структуры. Следует лишь отметить, что между субъединицами не существует ковалентных связей, и стабилизация структуры осуществляется за счет полярного и гидрофобного взаимодействий.

На поверхности каждой субъединицы имеются зоны, получившие название «контактных площадок», за счет которых одна субъединица взаимодействует с другой. Контактные площадки двух соседних субъединиц комплементарны друг другу, т.е. они пространственно и функционально дополняют друг друга.

При диссоциации олигомерные белки распадаются на субъединицы, которые при определенных условиях снова могут быть объединены в исходную молекулу, т.е. происходит процесс реассоциации. Обычно она достигается медленным удалением диссоциирующего реагента. Реассоциация субъединиц представляёТТ'отТой самопроизвольный процесс - субъединицы сами находят друг друга в растворе за счет диффузии и объединяются друг с другом за счет взаимодействия своих контактных площадок.

Н^щиттим усппиирм ц\ю реассоциации является сохранение исходной, т.е. нативной третичной структуры каждой из субъединйц. Если в процессе диссоциации пространственная структура субъединиц меняется, реассоциация становится невозможной.

К особенностям строения и функционирования олигоЦерных белков можно отнести следующие:

1) Количество отдельных полипептидных цепей в молекуле белка может быть различным, так, в состав белка глутатионредуктазы входит две субъединицы, гемоглобина - четыре, глутаматдегидрогеназа -6; РНК-полимераза-до 12-13 цепей;

2) В состав олигомерных белков могут входить одинаковые или разные протомеры, например, - гомодимеры - белки, содержащие 2 одинаковых протомера; гетеродимеры - 2 разных.

3) Различные по структуре протомеры могут связывать различные лиганды

4) Взаимодействие одного протомера со специфическим лигандом вызывает конформационные изменения всего олигомерного белка и изменяет сродство других протомеров к лигандам. Это явление носит название кооперативных изменений конформации протомеров.

5) У олигомерных белков появляется новое по сравнению с одноцепочечными белками свойство - способность к аллостерической регуляции их функций.

лигомерные белки обладают особыми свойствами, которых нету белков, не имеющих четвертичной структуры. Это можно увидеть, сравнивая белок мышц ми-оглобин и белок эритроцитов гемоглобин. Вторичная и третичная структуры ми-оглобина и протомеров гемоглобина очень сходны. Оба эти белка являются гемопротеинами и выполняют в организме сходные функции, в основе которых лежит способность обратимо связывать кислород.

Кооперативные изменения.

Простетическая группа этих белков — гем — представляет собой плоскую молекулу, содержащую четыре пиррольных цикла и соединенный с ними атом железа.

Пептидная цепь миоглобина содержит 153 аминокислотных остатка. Из них примерно три четверти образуют восемь

ос-спиральных участков, обозначаемых латинскими буквами от А до Н. Плоская молекула гема расположена в углублении между спиралями Е и F. Гем соединяется с белковой частью (глобином) гидрофобными связями между пирроль-ными циклами и гидрофобными радикалами аминокислот. Атом железа в молекуле гема образует шесть координационных связей: четыре с атомами азота пиррольных колец гема, одну с атомом азота имидазольного кольца гистидина, расположенного в спирали F (проксимальный гистидин), и еще одну — с молекулой 02. Спираль Е содержит также остаток гистидина, не связанный с гемом (дистальный гистидин), но способствующий присоединению кислорода к иону железа.

Пиррольные кольца гема расположены в одной плоскости, в то время как атом железа в дезоксигемоглобине несколько выступает из этой плоскости (на0,6 ангстрема). Присоединение кислорода «выпрямляет» молекулу гема: железо перемещается в плоскость пиррольных колец. Поскольку железо связано с остатком проксимального гистидина пептидной цепи, то происходит и перемещение участка пептидной цепи, разрыв некоторых слабых связей в молекуле белка, т. е. несколько изменяется конформация белка. Таким образом, присоединение кислорода сопровождается изменением пространственной структуры. В этом отношении миоглобин и гемоглобин одинаковы, но следствия изменения их конформации различны.

Гемоглобин это гемопротеид. Это неферментный белок. В его состав входит 4 полипептидные цепи. Есть несколько видов гемоглобина: гемоглобин А, есть и фетальный гемоглобин, в состав которого входят несколько иные цепи. Миоглобин похожий по структуре белок - мышечный белок, который в отличие от гемоглобина состоит из 1 полипептидной цепи и 1-го гема. Имеет значимость в доставке кислорода внутри клетки до митохондрий.

Гем: Это очень устойчивая структура, практически это самая длинная замкнутая сопряженная система, которая образует порфириновое ядро, состоящее из 4 пиррольных колец соединенных метинильными мостиками. Кроме того здесь имеются боковые цепи

Железо связано с пиррольными ядрами, и за счет координационных связей оно связано еще и с азотом имидозольных ядер гистидина полипептидных цепей. Обеспечивается связывание кислорода и образование оксигемоглобина. Соединение в котором железо 3 валентно - метгемоглобин, образуется при действии сильных окислителей (лаки, анилиновые краски). В крови всегда присутствует метгемоглобин не выше 2%. Метгемоглобин - производное гемоглобина не способен транспортировать кислород. Восстановление гемоглобина происходит за счет фермента -метгебоглобинредуктазы. У детей этот фермент крайне неактивен.

Болезни гемоглобинов (их насчитывают более 200) называют гемоглобинозами. Принято делить их на гемоглобинопатии, в основе развития которых лежит наследственное изменение структуры какой-либо цепи нормального гемоглобина (часто их относят также к «молекулярным болезням»), и талассемии, обусловленные нарушением синтеза какой-либо нормальной цепи гемоглобина. Классическим примером наследственной гемоглобинопатии является ссрповидно-клеточная анемия. При этой патологии эритроциты в условиях низкого парциального давления кислорода принимают форму серпа. Гемоглобин S. Отличается по ряду свойств от нормального гемоглобина, в частности, после отдачи кислорода в тканях он превращается в плохо растворимую форму и начинает выпадать в осадок в виде веретенообразных кристаллоидов, названных тактоидами. Последние деформируют клетку и приводят к массивному гемолизу.имический

Гемоглобин.

Мужчины 135-180гр/л Женщины 120-16Огр/л

Изменение числа эритроцитов.

Повышение числа Э и их массы (гематокрит) в целом указывает на эритроцитоз, который может быть первичным (поражение эритропоэза, заболевания ситемы крови) или вторичным. Вторичный эритроцитоз чаще наблюдается при легочных заболеваниях, врожденных пороках сердца, при гиповентиляции, пребывании на высоте, накоплении карбоксигемоглобина при курении, молекулярных изменениях гемоглобина, нарушении выработки эритропоэтина вследствие образования опухоли или кисты. Относительное повышение Э определяется при гемоконцентрации, например, при ожогах, диарее, приеме диуретиков и т. д. Понижение НЬ и Э является прямым непосредственным указанием на анемию (малокровие). Острая кровопотеря по одного литра принципиально не влияет на морфологию Э. Если в отсутствие кровопотери число Э снижается, то, естественно, следует предположить нарушение эффективности эритропоэза. Эффективный (действительный) эритропоэз может быть оценен с помощью следуюших тестов: определения уровня утилизации железа Э, определения количества ретикулоцитов и скорости их созревания, измерения продолжительности жизни эритроцитов и других функциональных характеристик, определяющих их полноценность.