3.4. Первичная структура

Цепочка аминокислотных остатков в белковой молекуле возникает при образовании пептидной связи :

Белки имеют молекулярную массу от 6000 до нескольких миллионов. Для того чтобы установить первичную структуру (последовательность аминокислотных остатков), надо определить количество цепей, разделить их и определить аминокислоты в цепях. Число цепей можно узнать по количеству N и C концов.

Для определения N-концевой аминокислоты предложен ряд методов, в частности метод Сенгера:

1. реакции амино- и оксигрупп с 2,4-динитрофторбензолом;

2. полный гидролиз;

3. хроматография для определения аминокислоты.

Для определения природы С-концевой аминокислоты чаще всего пользуются ферментативным путем.

Все четыре атома пептидной группировки лежат в одной плоскости. Это следует из рентгеноструктурного анализа. Было показано, что пептидная связь вследствие сопряжения С=О и N-атома, на р-орбитали которого находится неподеленная пара электронов, не может рассматриваться как ординарная и вращение практически отсутствует. По этой же причине хиральный атом С_α и карбонильный атом группировки С=О и N-C_α находятся в одной плоскости, но в этой же плоскости и О, и Н. Следовательно, все атомы находятся в одной плоскости. Геометрически полипептидную цепочку можно рассматривать как образованную плоскими фрагментами структуру (по шесть атомов в одной плоскости). Возникают торсионные углы : угол ψ между С_α и С и угол φ между N и С_α.. Выражение для потенциальной энергии внутреннего вращения выглядит следующим образом:

U(ψ,φ)=U₀/2*(1-cos3φ)+U₀/2*(1-cos3ψ)+ +U_кул

Первичная структура определена генетически; она определена составом и порядком следования аминокислот.

Реакция поликонденсации сопровождается выделением воды.

3.5. Вторичная структура

Фрагменты пространственной структуры любого биополимера, имеющие периодическое строение рассматриваются как элементы вторичной структуры. Под вторичной структурой белка подразумевают конфигурацию полипептидной цепи, т.е. способ свертывания, скручивания полипептидной цепи в спиральную или какую-либо другую конформацию. Различают две основные конфигурации: α-спирали и β-структуры.

Спиральная структура белка (α-спираль).

Для полипептидных цепей известны несколько типов спиралей. Наиболее распространенной является α-спираль. Полинг и Кори основывались на данных рентгеноструктурного анализа α-спирали, которая была экспериментально доказана. Они исходили из того, что:

- пептидная группа плоская;

О

׀׀

- связь C-N сопряжена;

- все аминокислотные остатки эквивалентны;

- на каждую пептидную группу в спирали возникают две водородные связи, (каждая карбонильная группировка связывается водородной связью с NH-группой каждой 4-ой пептидной связи). В одном витке α-спирали3,6 аминокислотных остатка (13 атомов), высота витка 5,4 Å, трансляция (перемещение вдоль оси на 1 аминогруппу ) − 1,5 Å.

Существуют и другие спирали: 4,4 (16) – π-спираль; 5,1 (19) − γ-спираль; 3 (10) – спираль.

Полипептидные цепи могут иметь несколько порядков закручивания, т.е. могут образовывать суперспирали.

Чаще на практике встречаются правые (образованные левыми аминокислотами) спирали.

Факторы стабилизации спиральной конформации белка:

-водородные связи, которые расположены параллельно оси α-спирали;

-параллельная ориентация дипольных моментов пептидных связей, которые располагаются параллельно друг другу.

Стабилизировать структуру будут и гидрофобные взаимодействия, и водородные связи боковых радикалов, и электростатические взаимодействия.

β-структура.

Она стабилизируется водородными связями между отрезками одной и той же цепи или между соседними цепями.

Водородные связи перпендикулярны к оси цепи.

Отрезки, между которыми в складчатой структуре возникают водородные связи, могут быть направлены как в одну, так и в другую сторону.

Значительная часть вторичной структуры глобулярного белка, приходится на неупорядоченные участки (петли), которые изменяют направление полипептидной цепи. Наиболее экономичный структурный элемент, который поворачивает пептид на 180º, используя всего 3 пептидные группировки, называется β-изгибом (стабилизируется одной водородной связью).

Существует несколько причин нарушения регулярной структуры белков:

1. Пролин (оксипролин) – это аминокислота, нарушающая структуру, т.к. она не образовывает водородных связей. В местах, где расположены эти иминокислотные остатки, направление цепи поворачивается резко, примерно на 180º.

2. В местах, где локализованы дисульфидные мостики, возникает напряжение (т.е. деформация) и вторичная структура искажается.

3. Изменение свободной энергии взаимодействия боковых групп аминокислотных остатков (гидрофобные взаимодействия, т.к. боковые радикалы в большинстве являются углеводородными радикалами, которые взаимодействуют друг с другом с большим повышением энтропии при малом изменении энергии). Энтропийная выгодность процесса связана со свойствами Н₂О, молекулы которой стремятся образовать водородные связи и вытеснить углеводороды. Следовательно, усиливаются все типы Ван-дер-ваальсовых взаимодействий между этими боковыми радикалами.

Вторичная структура белка – это сочетание регулярных участков с нерегулярными (аморфными), в которых система водородных связей нарушена. Т.к. вторичная структура связана с первичной, а первичная генетически предопределена, то и вторичная структура предопределена.