Reklama portale

Natūralias baltymo savybes lemia jo struktūra. Tretinė struktūra. Teoriniai pamokos pagrindai

Įrodyta, kad egzistuoja 4 baltymo molekulės struktūros organizavimo lygiai.

Pirminė baltymo struktūra- aminorūgščių liekanų seka polipeptidinėje grandinėje. Baltymuose atskiros aminorūgštys yra susietos viena su kita. peptidiniai ryšiai atsirandančios dėl aminorūgščių a-karboksilo ir a-amino grupių sąveikos.

Iki šiol buvo iššifruota pirminė dešimčių tūkstančių skirtingų baltymų struktūra. Norint nustatyti pirminę baltymo struktūrą, hidrolizės metodais nustatoma aminorūgščių sudėtis. Tada nustatoma galutinių aminorūgščių cheminė prigimtis. Kitas žingsnis yra aminorūgščių sekos nustatymas polipeptidinėje grandinėje. Tam naudojama selektyvi dalinė (cheminė ir fermentinė) hidrolizė. Galima naudoti rentgeno spindulių difrakcijos analizę, taip pat duomenis apie komplementarią DNR nukleotidų seką.

Antrinė baltymo struktūra– polipeptidinės grandinės konfigūracija, t.y. polipeptidinės grandinės įpakavimo į specifinę konformaciją būdas. Šis procesas vyksta ne chaotiškai, o pagal pirminėje struktūroje numatytą programą.

Antrinės struktūros stabilumą daugiausia užtikrina vandenilio ryšiai, tačiau tam tikrą indėlį įneša kovalentiniai ryšiai - peptidiniai ir disulfidiniai ryšiai.

Nagrinėjamas labiausiai tikėtinas rutulinių baltymų struktūros tipas a-spiralė. Polipeptidinės grandinės sukimas vyksta pagal laikrodžio rodyklę. Kiekvienam baltymui būdingas tam tikras spiralizacijos laipsnis. Jei hemoglobino grandinės yra 75% spiralinės, tai pepsino yra tik 30%.

Polipeptidinių grandinių, esančių plaukų, šilko ir raumenų baltymuose, konfigūracijos tipas vadinamas b struktūros. Peptidinės grandinės segmentai yra išdėstyti viename sluoksnyje, sudarydami figūrą, panašią į lapą, sulankstytą į akordeoną. Sluoksnis gali būti formuojamas iš dviejų arba didelis kiekis peptidinės grandinės.

Gamtoje yra baltymų, kurių struktūra neatitinka nei β-, nei a-struktūros, pavyzdžiui, kolagenas yra fibrilinis baltymas, kuris sudaro didžiąją žmonių ir gyvūnų jungiamojo audinio dalį.

Tretinė baltymo struktūra- polipeptidinės spiralės erdvinė orientacija arba polipeptidinės grandinės klojimo būdas tam tikrame tūryje. Pirmasis baltymas, kurio tretinė struktūra buvo išaiškinta rentgeno difrakcinės analizės būdu, yra kašalotų mioglobinas (2 pav.).

Stabilizuojant baltymų erdvinę struktūrą, be kovalentinių ryšių, pagrindinį vaidmenį atlieka nekovalentiniai ryšiai (vandenilis, įkrautų grupių elektrostatinė sąveika, tarpmolekulinės van der Waals jėgos, hidrofobinės sąveikos ir kt.).

Remiantis šiuolaikinėmis koncepcijomis, tretinė baltymo struktūra, pasibaigus jo sintezei, susidaro savaime. Pagrindinis varomoji jėga yra aminorūgščių radikalų sąveika su vandens molekulėmis. Šiuo atveju nepoliniai hidrofobiniai aminorūgščių radikalai yra panardinami į baltymo molekulės vidų, o poliniai radikalai yra orientuoti į vandenį. Polipeptidinės grandinės natūralios erdvinės struktūros formavimosi procesas vadinamas sulankstomas. Ląstelės turi išskirtus baltymus, vadinamus palydovai. Jie dalyvauja lankstymo procese. Aprašyta nemažai žmonių paveldimų ligų, kurių vystymasis siejamas su pažeidimu dėl lankstymo proceso mutacijų (pigmentozė, fibrozė ir kt.).

Baltymų molekulės, tarpinės tarp antrinių ir tretinių struktūrų, struktūrinio organizavimo lygių egzistavimas buvo įrodytas rentgeno difrakcinės analizės metodais. Domenas yra kompaktiškas rutulinis struktūrinis vienetas polipeptidinės grandinės viduje (3 pav.). Buvo atrasta daug baltymų (pavyzdžiui, imunoglobulinų), kuriuos sudaro skirtingos struktūros ir funkcijos domenai, kuriuos koduoja skirtingi genai.

Visi biologines savybes baltymai yra susiję su jų tretinės struktūros išsaugojimu, kuris vadinamas gimtoji. Baltymų rutuliukas nėra absoliučiai standi struktūra: galimi grįžtami peptidinės grandinės dalių judesiai. Šie pokyčiai nepažeidžia bendros molekulės konformacijos. Baltymų molekulės konformacijai įtakos turi terpės pH, tirpalo joninė jėga ir sąveika su kitomis medžiagomis. Bet koks poveikis, dėl kurio pažeidžiama natūrali molekulės konformacija, yra lydimas dalinio arba visiško baltymo biologinių savybių praradimo.

Ketvirtinė baltymų struktūra- atskirų polipeptidinių grandinių, turinčių vienodą arba skirtingą pirminę, antrinę ar tretinę struktūrą, klojimo erdvėje būdas ir vieno makromolekulinio darinio formavimas struktūriniu ir funkciniu požiūriu.

Baltymų molekulė, susidedanti iš kelių polipeptidinių grandinių, vadinama oligomeras, ir kiekviena į ją įtraukta grandinė – protomeras. Oligomeriniai baltymai dažniau statomi iš lyginio protomerų skaičiaus, pavyzdžiui, hemoglobino molekulė susideda iš dviejų a- ir dviejų b-polipeptidinių grandinių (4 pav.).

Kvarterinėje struktūroje yra apie 5% baltymų, įskaitant hemoglobiną, imunoglobulinus. Subvieneto struktūra būdinga daugeliui fermentų.

Baltymų molekulės, sudarančios ketvirtinės struktūros baltymą, susidaro atskirai ribosomose ir tik pasibaigus sintezei sudaro bendrą supramolekulinę struktūrą. Baltymas įgyja biologinį aktyvumą tik tada, kai susijungia jį sudarantys protomerai. Stabilizuojant ketvirtinę struktūrą dalyvauja tos pačios rūšies sąveikos, kaip ir tretinės.

Kai kurie tyrinėtojai pripažįsta, kad egzistuoja penktasis baltymų struktūros organizavimo lygis. tai metabolonai -įvairių fermentų polifunkciniai makromolekuliniai kompleksai, katalizuojantys visą substrato virsmų kelią (didesnės riebalų rūgščių sintetazės, piruvatdehidrogenazės kompleksas, kvėpavimo grandinė).

Peptidinė jungtis nustato baltymo molekulės pirminės struktūros stuburą (stuburą) ir suteikia jai standumo.

Teoriniai pamokos pagrindai

Baltymų molekulės sandara

Pamokos tikslas: tirti baltymų molekulių stambiamolekulinės organizavimo tipus.

Pirminė baltymų struktūra- aminorūgščių seka polipeptidinėje grandinėje (arba grandinėse) ir disulfidinių jungčių (jei yra) padėtis.

Pirminę struktūrą stabilizuoja kovalentiniai ryšiai: peptidiniai ryšiai, o kai kuriuose peptiduose - disulfidiniai ryšiai.

Pirminės struktūros kovalentinių ryšių ardymas - hidrolizė: 1) rūgštinis - per 6 n. HCl, 100-110 0 C, 24 val.; 2) fermentinis - su proteolitinių fermentų pagalba skrandyje esant pH 1,5-5,0 - pepsinas; tripsinas, chimotripsinas, karboksipeptidazė – dvylikapirštėje žarnoje; dipeptidazės, tripeptidazės ir aminopeptidazės – plonojoje žarnoje, kai pH 8,6.

Peptidinės jungties apibūdinimas. Peptidinis ryšys yra plokštuminis (koplanarinis). C-N jungtis primena dvigubą jungtį (suktis neįmanoma) dėl p, π - konjugacijos (atomo laisvos elektronų poros konjugacija su C=O dvigubo ryšio π-elektronais).

Aminorūgščių seka pirminėje baltymo struktūroje yra specifinės šiam baltymui būdingos rūšys.

Pirminė baltymo struktūra genetiškai nulemtas ir dauginamas transkripcijos ir vertimo procesuose.

Pirminė baltymo struktūra yra pagrindinis tolesnių baltymų struktūrų susidarymui dėl polipeptidinės grandinės aminorūgščių liekanų radikalų sąveikos.

· L-serijos aminorūgštį pakeitus D-serijos aminorūgštimi arba net vieną L-aminorūgštį pakeitus kita, gali visiškai išnykti peptido biologinis aktyvumas.

Fiziologiškai aktyvūs peptidai turi nuo 3 iki 100 aminorūgščių liekanų (MM mažiau nei 6000 Da). Skirtingai nuo baltymų, polipeptiduose gali būti neproteinogeninių arba modifikuotų proteinogeninių aminorūgščių. Pavyzdžiai:

1. Bradikininas ir kallidinas atpalaiduoja lygiuosius raumenis ir yra specifinių plazmos a 2 -globulinų proteolizės produktai, todėl šiuose peptiduose yra tik proteinogeninių aminorūgščių:

bradikininas: arg-pro-pro-gly-phen-ser-pro-phen-arg;

Kallidinas: Lys-arg-pro-pro-gli-phen-ser-pro-phen-arg.

2. Glutationo (γ-glu-cis-gli) yra visose ląstelėse. Jis reikalingas aminorūgščių transportavimui per membranas, daugelio fermentų darbui. Jis išlaiko disulfidinius ryšius, turi netipinį peptidinį ryšį, kai glutamatas nėra prijungtas prie cisteino per α-amino grupę.

Baltymų polimorfizmas- tai yra to paties baltymo egzistavimas keliomis molekulinėmis formomis, kurios skiriasi pirmine struktūra, fizine ir cheminės savybės ir biologinio aktyvumo apraiškos.



Baltymų polimorfizmo priežastys yra genų rekombinacijos ir mutacijos. Izoproteinai yra daugybė molekulinių baltymų formų, randamų to paties organizmuose rūšių dėl to, kad rūšies genofonde yra daugiau nei vienas struktūrinis genas. Keli genai gali būti pavaizduoti kaip keli aleliai arba keli genų lokusai.

Baltymų polimorfizmo pavyzdžiai.

1. Baltymų polimorfizmas filogenezėje – homologinių baltymų egzistavimas skirtingose ​​rūšyse. Šiuose baltymuose už jų funkciją atsakingos pirminės struktūros sritys išlieka konservatyvios (nepakitusios). Žmogaus organizme prarastiems baltymams pakeisti naudojami homologiniai gyvūniniai baltymai, kurių pirminėje struktūroje minimalūs skirtumai (galvijų, kiaulių, kašalotų insulinas).

2. Baltymų polimorfizmas ontogenezėje – homologinių baltymų egzistavimas skirtinguose organizmo gyvavimo ciklo segmentuose. Vaisius turi hemoglobino F (vaisiaus hemoglobinas, α 2 γ 2, turi didelį afinitetą deguoniui). Po gimimo jis pakeičiamas hemoglobinu A 1 (a 2 b 2).

3. Audinių baltymų polimorfizmas. Tas pats fermentas skirtingose ​​ląstelėse katalizuoja tą pačią reakciją, tačiau skiriasi pirminė struktūra – izofermentai. Izofermentų nustatymas kraujyje padeda diagnozuoti konkretaus audinio pažeidimą.

4. Baltymų polimorfizmas patologijoje. Apsvarstykite kelių mutacijų formų, kurios yra paveldimos, pavyzdį. Šiuo atveju dažniausiai rūgštinė aminorūgštis pakeičiama bazine arba neutralia:

HbC, glu 6 pakeitimas β-grandėje lizės būdu;

HbE, glu 26 β-grandėje pakeitimas lys;

HbI atveju lys 16 β-grandėje pakeitimas asp;

HbS, glu 6 pakeitimas β grandinėje velenu.

Pastaruoju atveju atsiranda tokia liga kaip pjautuvinė anemija. Anomalūs hemoglobinai skiriasi nuo įprastų savo krūviu ir elektroforeziniu mobilumu. Fizikinius ir cheminius hemoglobino pokyčius lydi deguonies transportavimo pažeidimas.

Antrinė baltymo struktūra- reguliarus polipeptidinės grandinės organizavimas, stabilizuotas vandeniliniais ryšiais. Vandeniliniai ryšiai susidaro tarp peptidinių jungčių NH ir CO grupių. Yra a-spiralė, b-struktūra ir netvarkinga konformacija (ritė).

a-spiralė. Polipeptidinės grandinės sukimas vyksta pagal laikrodžio rodyklę (dešinė spiralė), tai yra dėl L-amino rūgščių struktūros. Kiekvienam spiralės posūkiui (žingsniui) yra 3,6 aminorūgščių liekanos. Sraigės žingsnis yra 0,54 nm, 0,15 nm vienai aminorūgšties liekanai. Sraigės kampas yra 26 0 . kas 5 spiralės apsisukimus (18 aminorūgščių liekanų) kartojasi polipeptidinės grandinės struktūra. Vandenilinės jungtys yra lygiagrečios spiralės ašiai ir atsiranda tarp kas pirmos ir kas penktos aminorūgščių liekanos. A-spiralės susidarymą neleidžia prolinas ir aminorūgštys su dideliais ir įkrautais radikalais.

Β-Struktūra. Fibriliniuose baltymuose dvi ar daugiau linijinių polipeptidinių grandinių yra tvirtai surištos vandeniliniais ryšiais, statmenais molekulės ašiai (sulenktas b sluoksnis). Jei dvi polipeptidinės grandinės, einančios ta pačia kryptimi nuo N iki C galo, yra sujungtos tarpgrandiniais vandenilio ryšiais, tai yra lygiagreti β struktūra. Jei grandinių N ir C galai yra priešingi, tai yra antilygiagreti b struktūra. Jei viena polipeptidinė grandinė susilenkia ir eina lygiagrečiai sau, tai yra antilygiagreti β-kryžminė struktūra. Grandinės lenkimo vietas nustato pro, gli, asn-b-bend.

netvarkinga konformacija. Baltymų molekulės atkarpos, nepriklausančios spiralinėms ar sulankstytoms struktūroms, vadinamos netvarkingomis. Grafiniame vaizde spiralės pjūviai vaizduojami kaip cilindras, o sulankstytos konstrukcijos – su rodykle. Išskiriama viršantrinės struktūros samprata, kuri yra taisyklinga a-spiralinių atkarpų ir b-struktūrų kaita.

Tretinė struktūra- visos polipeptidinės grandinės konformacija (t. y. vieta trimatėje erdvėje). Tretinę struktūrą stabilizuoja ryšiai ir sąveika tarp polipeptidinės grandinės aminorūgščių liekanų radikalų: kovalentinis - disulfidinis ryšys, taip pat vandenilio, joninės jungtys ir hidrofobinė sąveika. Tretinės struktūros baltymų tipai:

baltymai, kuriuose vyrauja a-spiralinės sekcijos, turi rutuliuko formą (rutuliniai baltymai) ir atlieka dinamines funkcijas;

baltymai, kuriuose vyrauja sulankstyto b sluoksnio struktūros, turi gijinę (fibrilinių baltymų) formą ir atlieka struktūrines funkcijas;

Kolagenas yra labiausiai paplitęs baltymas gyvūnų pasaulyje (iki 25% visų kūno baltymų), turi ypatingą struktūrą. Kolageno (tropokolageno) molekulė yra sudaryta iš trijų polipeptidinių grandinių. Kiekvienoje polipeptidinėje grandinėje yra apie 1000 aminorūgščių liekanų (35 % glicino, 21 % prolino ir hidroksiprolino, 11 % alanino). Kiekviena polipeptidinė grandinė turi griežtą spiralės konformaciją (3 aminorūgščių liekanos viename posūkyje). Tropokolageno molekulėje visos trys spiralės yra susipynusios viena su kita, sudarydamos turniketą. Dėl peptidinių grupių tarp spiralių susidaro vandeniliniai ryšiai. Ši struktūra suteikia kolageno skaidulų stiprumą.

Natūrali baltymų struktūra.

Daugelis tretinės struktūros baltymų turi spiralinius, sulankstytus ir netvarkingus segmentus. Kartu tai svarbu funkciniu ir struktūriniu požiūriu tarpusavio susitarimas aminorūgščių radikalai. Naudojami šie terminai:

domenai – anatomiškai išsiskiriančios tretinės baltymo struktūros sritys, atsakingos už specifinės baltymo funkcijos atlikimą;

hidrofobinės kišenės – ertmės tretinėje struktūroje, išklotos hidrofobinių aminorūgščių radikalais; padeda panardinti hidrofobinius ligandus į baltymo molekulę;

hidrofobiniai klasteriai – baltymų paviršiaus sritys, kuriose koncentruojasi hidrofobinių aminorūgščių radikalai; padeda sąveikauti su kitų molekulių hidrofobinėmis grupėmis.

Kad atliktų funkciją, baltymas turi turėti specifinę ir dažnai vienintelę tretinę struktūrą (konformaciją) – gimtąją struktūrą.

Tai sukelia aminorūgščių liekanų, kurios linijine seka yra toli viena nuo kitos, sąveika. Priežiūros veiksniai:

    vandeniliniai ryšiai

    hidrofobinės sąveikos (reikalingos baltymo struktūrai ir biologinėms funkcijoms)

    disulfidiniai ir druskos tilteliai

    joninės ir van der Waals jungtys.

Daugumoje baltymų molekulių paviršiuje yra aminorūgščių radikalų likučių, turinčių hidrofilinių savybių. HC – hidrofobiniai radikalai yra molekulių viduje. Šis pasiskirstymas yra svarbus formuojant natūralią baltymo struktūrą ir savybes.

Dėl to baltymai turi hidraro apvalkalą, o tretinės struktūros stabilizavimąsi daugiausia lemia hidrofobinė sąveika. Pavyzdžiui, 25-30% aminorūgščių liekanų globulino molekulėse turi ryškius hidrofobinius radikalus, 45-50% turi joninių ir polinių radikalų grupių.

Šoninės aminorūgščių liekanų grandinės, atsakingos už baltymų struktūrą, išsiskiria dydžiu, forma, krūviu ir gebėjimu sudaryti vandenilinius ryšius, taip pat cheminiu reaktyvumu:

    alifatinės šoninės grandinės, pavyzdžiui, valinas, alaninas. Būtent šios liekanos sudaro hidrofobines sąveikas.

    hidroksilintas alifatinis (serija, treoninas). Šios aminorūgščių liekanos dalyvauja formuojant vandenilinius ryšius, taip pat esterius, pavyzdžiui, su sieros rūgštimi.

    aromatiniai – tai fenilalanino, tirozino, triptofano likučiai.

    aminorūgščių liekanos, turinčios bazines savybes (lizinas, argininas, histidinas). Tokių aminorūgščių vyravimas polipeptidinėje grandinėje suteikia baltymams pagrindines savybes.

    rūgščių savybių turinčios liekanos (asparto ir glutamo rūgštys)

    amidas (asparaginas, glutaminas)

Baltymai, turintys keletą polipeptidinių grandinių, turi ketvirtinę struktūrą. Tai reiškia, kaip grandinės yra sukrautos viena kitos atžvilgiu. Tokie fermentai vadinami subvienetais. Šiuo metu įprasta vartoti terminą „domenas“, kuris reiškia kompaktišką baltymo molekulės rutulinį vienetą. Daugelis baltymų susideda iš kelių tokių vienetų, kurių masė svyruoja nuo 10 iki 20 kDa. Didelės molekulinės masės baltymuose atskiri domenai yra sujungti santykinai lanksčiais PPC regionais. Gyvūnų ir žmonių organizme yra dar sudėtingesnių struktūrinių baltymų struktūrų, kurių pavyzdys gali būti daugiafermentinės sistemos, ypač piruvato dekarboksilazės kompleksas.

Natūralaus baltymo samprata

Esant tam tikroms pH ir temperatūros vertėms, PPC, kaip taisyklė, turi tik vieną konformaciją, kuri vadinama natūralia ir kurioje baltymas atlieka savo specifinę funkciją organizme. Beveik visada ši vienintelė konformacija energetiškai dominuoja dešimtyse ir šimtuose kitų konformacijų.

Klasifikacija. Biologinės ir cheminės baltymų savybės

Nėra patenkinamos baltymų klasifikacijos, jie sąlyginai klasifikuojami pagal jų erdvinę struktūrą, tirpumą, biologines funkcijas, fizikines ir chemines savybes ir kitus požymius.

1. Pagal molekulių struktūrą ir formą baltymai skirstomi į:

    rutulinis (sferinis)

    fibrilinis (gijinis)

2. Pagal cheminę sudėtį skirstomi į:

Paprasti, susidedantys tik iš aminorūgščių liekanų

Sudėtingi, jų molekulėse yra nebaltyminių junginių. Sudėtingų baltymų klasifikavimas pagrįstas nebaltyminių komponentų chemine prigimtimi.

Vienas iš pagrindinių klasifikavimo tipų:

Z. pagal atliktas biologines funkcijas:

fermentinė katalizė. Biologinėse sistemose visas chemines reakcijas katalizuoja specifiniai fermentų baltymai. Yra žinoma daugiau nei 2000

fermentai. Fermentai yra galingi biokatalizatoriai, kurie pagreitina reakcijas mažiausiai 1 milijoną kartų.

Transportavimas ir kaupimas

Daugelio mažų molekulių ir įvairių jonų pernešimą dažnai atlieka specifiniai baltymai, tokie kaip hemoglobinas, mioglobinas, pernešantys deguonį. Kaupimo pavyzdys: Feritinas kaupiasi kepenyse.

koordinuotas judėjimas. Baltymai yra pagrindinė susitraukiančių raumenų (aktino ir miozino skaidulų) sudedamoji dalis. Judėjimas mikroskopiniu lygmeniu – tai chromosomų divergencija mitozės metu, spermatozoidų judėjimas dėl žvynelių.

    mechaninė atrama. Didelį odos ir kaulų elastingumą lemia fibrilinio baltymo – kolageno – buvimas.

    imuninė apsauga. Antikūnai yra labai specifiniai baltymai, galintys atpažinti ir surišti virusus, bakterijas, kitų organizmų ląsteles.

Impulsų generavimas ir perdavimas. Nervinių ląstelių atsaką į impulsus skatina receptorių baltymai

augimo ir diferenciacijos reguliavimas. Griežtas genetinės informacijos raiškos sekos reguliavimas būtinas ląstelių diferenciacijos augimui. Bet kuriuo organizmo gyvenimo laikotarpiu išreiškiama tik nedidelė ląstelės genomo dalis. Pavyzdžiui, veikiant specifiniam baltymų kompleksui, aukštesniuose organizmuose susidaro neuronų tinklas.

Kitos peptidų ir baltymų funkcijos apima hormonines. Po to, kai žmogus išmoko sintetinti hormoninius peptidus, jie pradėjo turėti itin svarbią biomedicininę reikšmę. Peptidai yra įvairūs antibiotikai, pavyzdžiui, valinomicinas, vaistai nuo vėžio. Be to, baltymai atlieka mechaninės apsaugos funkcijas (plaukų keratinas arba gleivinės dariniai, išklojantys virškinamąjį traktą ar burnos ertmę).

Pagrindinis bet kokių gyvų organizmų egzistavimo pasireiškimas yra jų pačių rūšies dauginimasis. Galiausiai paveldima informacija yra visų organizmo baltymų aminorūgščių sekos kodavimas. Žmogaus sveikatą veikia baltymų toksinai.

Baltymų molekulinė masė matuojama daltonais (Da) – tai masės vienetas, beveik lygus vandenilio masei (-1000). Daltono ir molekulinės masės terminai įvedami pakaitomis. Daugumos baltymų Mr svyruoja nuo 10 iki 100 000.

Ryžiai. 3.9. Tretinė laktoglobulino struktūra, tipiškas a/p baltymas (pagal PDB-200I) (Brownlow, S., Marais Cabral, J. H., Cooper, R., Flower, D. R., Yewdall, S. J., Polikarpov, I., North, A. C. , Sawyer , L.: Struktūra, 5, p. 481. 1997)

Erdvinė struktūra priklauso ne nuo polipeptidinės grandinės ilgio, o nuo kiekvienam baltymui būdingų aminorūgščių liekanų sekos, taip pat nuo atitinkamoms aminorūgštims būdingų šoninių radikalų. Baltymų makromolekulių erdvinę trimatę struktūrą arba konformaciją pirmiausia sudaro vandenilio ryšiai, taip pat hidrofobinės sąveikos tarp nepolinių šoninių aminorūgščių radikalų. Vandenilio ryšiai vaidina didžiulį vaidmenį formuojant ir palaikant baltymo makromolekulės erdvinę struktūrą. Vandenilio jungtis susidaro tarp dviejų elektronneigiamų atomų naudojant vandenilio protoną, kovalentiškai susietą su vienu iš šių atomų. Kai vienintelis vandenilio atomo elektronas dalyvauja formuojant elektronų porą, protonas pritraukiamas prie gretimo atomo, sudarydamas vandenilio ryšį. Būtina sąlyga vandenilinės jungties susidarymui yra bent vienos laisvos elektronų poros buvimas prie elektronneigiamo atomo. Kalbant apie hidrofobines sąveikas, jos atsiranda dėl kontakto tarp nepolinių radikalų, kurie negali nutraukti vandenilio ryšių tarp vandens molekulių, kurios pasislenka į baltymo rutuliuko paviršių. Sintetinant baltymą, nepolinės cheminės grupės kaupiasi rutuliuko viduje, o polinės išstumiamos ant jo paviršiaus. Taigi, baltymo molekulė gali būti neutrali, teigiamai įkrauta arba neigiamai įkrauta, priklausomai nuo tirpiklio pH ir joninių grupių baltyme. Silpna sąveika taip pat apima joninius ryšius ir van der Waals sąveiką. Be to, baltymų konformaciją palaiko kovalentinis S-S obligacijos susidaro tarp dviejų cisteino likučių. Dėl hidrofobinės ir hidrofilinės sąveikos baltymo molekulė spontaniškai įgauna vieną ar kelias termodinamiškai palankiausias konformacijas, o jei dėl kokių nors išorinių poveikių natūrali konformacija sutrinka, galimas visiškas arba beveik visiškas jos atstatymas. Pirmiausia tai parodė K. Anfinsen, kaip pavyzdį naudodamas kataliziškai aktyvią baltymo ribonukleazę. Paaiškėjo, kad veikiant karbamidui arba p-merkaptoetanoliui, jo konformacija pasikeičia ir dėl to smarkiai sumažėja katalizinis aktyvumas. Pašalinus karbamidą, baltymo konformacija pereina į pradinę būseną ir atkuriamas katalizinis aktyvumas.

Taigi baltymų konformacija yra trimatė struktūra, ir dėl jos susidarymo daugelis atomų, esančių atokiose polipeptidinės grandinės atkarpose, artėja vienas prie kito ir, veikdami vienas kitą, įgyja naujų savybių, kurių nėra atskirose amino grupėse. rūgštys arba maži polipeptidai. Šis vadinamasis tretinė struktūra, kuriai būdinga polipeptidinių grandinių orientacija erdvėje (3.9 pav.). Rutulinių ir fibrilinių baltymų tretinė struktūra labai skiriasi vienas nuo kito. Įprasta baltymo molekulės formą apibūdinti tokiu rodikliu kaip asimetrijos laipsnis (molekulės ilgosios ir trumposios ašies santykis). Rutuliniuose baltymuose asimetrijos laipsnis yra 3-5, kaip ir fibrilinių baltymų, ši vertė yra daug didesnė (nuo 80 iki 150).

Kaip tada pirminė ir antrinė neišskleistos struktūros virsta sulankstyta, labai stabilia forma? Skaičiavimai rodo, kad teoriškai galimų trijų dimensijų baltymų struktūrų susidarymo kombinacijų skaičius yra neišmatuojamai didesnis nei iš tikrųjų gamtoje. Matyt, energetiškai palankiausios formos yra pagrindinis konformacinio stabilumo veiksnys.

Išlydyto rutuliuko hipotezė. Vienas iš būdų tirti polipeptidinės grandinės sulankstymą į trimatę struktūrą yra baltymo molekulės denatūravimas ir vėlesnis prisotinimas.

K. Anfinseno eksperimentai su ribonukleaze vienareikšmiškai parodo galimybę surinkti būtent tokią erdvinę struktūrą, kuri buvo sutrikdyta dėl denatūracijos (3.10 pav.).

Šiuo atveju, norint atkurti gimtąją konformaciją, nereikia turėti jokių papildomų struktūrų. Kokie polipeptidinės grandinės sulankstymo į atitinkamą konformaciją modeliai yra labiausiai tikėtini? Viena iš plačiai paplitusių baltymų saviorganizacijos hipotezių yra išlydyto rutuliuko hipotezė. Pagal šią koncepciją išskiriami keli baltymų savaiminio surinkimo etapai.

  • 1. Išsiskleidusioje polipeptidinėje grandinėje vandenilinių ryšių ir hidrofobinių sąveikų pagalba susidaro atskiri antrinės struktūros skyriai, kurie tarnauja kaip sėkla ištisoms antrinėms ir antrinėms struktūroms susidaryti.
  • 2. Kai šių vietų skaičius pasiekia tam tikrą ribinę reikšmę, šoniniai radikalai persiorientuoja ir polipeptidinė grandinė pereina į naują, kompaktiškesnę formą ir nekovalentinių ryšių skaičių.

Ryžiai. 3.10.

žymiai padidėja. Būdingas šio etapo bruožas yra specifinių kontaktų susidarymas tarp atomų, esančių atokiose polipeptidinės grandinės vietose, bet kurie pasirodė esantys artimi dėl tretinės struktūros susidarymo.

3. Paskutiniame etape susidaro natūrali baltymo molekulės konformacija, susijusi su disulfidinių jungčių užsidarymu ir galutiniu baltymo konformacijos stabilizavimu. Neatmetama ir nespecifinė agregacija.

polipstido grandines, kurios gali būti kvalifikuojamos kaip natūralių baltymų susidarymo klaidos. Iš dalies sulankstyta polipeptidinė grandinė (žingsnis 2) vadinamas išlydytu rutuliuku, o stadija 3 lėčiausiai formuojasi subrendęs baltymas.

Ant pav. 3.11 parodytas vieno geno koduojamos baltymo makromolekulės susidarymo variantas. Tačiau žinoma, kad nemažai baltymų turi domeną

Ryžiai. 3.11.

(pagal N.K. Nagradovą) nuyu struktūra, susidaro dėl genų dubliavimosi, o kontaktų tarp atskirų domenų formavimas reikalauja papildomų pastangų. Paaiškėjo, kad ląstelės turi specialius mechanizmus, reguliuojančius naujai susintetintų baltymų lankstymąsi. Šiuo metu buvo atrasti du fermentai, dalyvaujantys įgyvendinant šiuos mechanizmus. Viena iš lėtų trečiojo polipeptidinių grandinių sulankstymo etapo reakcijų yra *

Ryžiai. 3.12.

Be to, ląstelėse yra nemažai kataliziškai neaktyvių baltymų, kurie vis dėlto labai prisideda prie erdvinių baltymų struktūrų formavimosi. Tai vadinamieji chaperonai ir chaperoninai (3.12 pav.). Vienas iš molekulinių chaperonų atradėjų L. Ellisas juos vadina viena su kita nesusijusių baltymų šeimų funkcine klase, padedančia teisingam nekovalentiniam kitų polipeptidų turinčių struktūrų surinkimui in vivo, bet nėra jų dalis. surinktas struktūras ir nedalyvauja įgyvendinant jų normalias fiziologines funkcijas.funkcijomis.

Chaperonai padeda teisingai surinkti trimačio baltymo konformaciją, sudarydami grįžtamuosius nekovalentinius kompleksus su iš dalies sulankstyta polipeptidine grandine, tuo pačiu slopindamos netinkamai suformuotus ryšius, dėl kurių susidaro funkciškai neaktyvios baltymų struktūros. Į chaperonams būdingų funkcijų sąrašą įtraukta išlydytų rutuliukų apsauga nuo agregacijos, taip pat naujai susintetintų baltymų perkėlimas į įvairius ląstelių lokusus. Chaperonai daugiausia yra šilumos šoko baltymai, kurių sintezė smarkiai padidėja veikiant stresinei temperatūrai, todėl jie taip pat vadinami hsp (šilumos šoko baltymais). Šių baltymų šeimos randamos mikrobų, augalų ir gyvūnų ląstelėse. Šaperonų klasifikacija grindžiama jų molekulinė masė, kuris svyruoja nuo 10 iki 90 kDa. Apskritai chaperonų ir chaperoninų funkcijos skiriasi, nors abu jie yra pagalbiniai baltymai baltymų trimatės struktūros formavimosi procesuose. Šaperonai išlaiko naujai susintetintą polipeptidinę grandinę išsiskleidusioje būsenoje, neleisdami jai susilankstyti į kitokią formą nei gimtoji, o chaperoninai sudaro sąlygas susidaryti vienintelei teisingai, natūraliai baltymo struktūrai (3.13 pav.).

Ryžiai. 3.13.

Šaperonai / yra susiję su iš ribosomos nusileidžiančia nescencine polipeptidine grandine. Susidarius polipeptidinei grandinei ir išleidus ją iš ribosomos, prie jos prisijungia chaperonai ir užkerta kelią agregacijai. 2. Po susilankstymo citoplazmoje baltymai atskiriami nuo chaperono ir perkeliami į atitinkamą chaperoniną, kur vyksta galutinis tretinės struktūros susidarymas. 3. Citozolinio chaperono pagalba baltymai persikelia į išorinę mitochondrijų membraną, kur mitochondrijų chaperonas traukia juos į mitochondrijų vidų ir „perkelia“ į mitochondrijų chaperoniną, kur vyksta susilankstymas. 4, ir 5 yra panašus 4 , bet endoplazminio tinklo atžvilgiu.

Tretinė baltymo struktūra yra būdas, kuriuo polipeptidinė grandinė yra sulankstyta trimis matmenimis. Ši konformacija atsiranda dėl cheminių ryšių susidarymo tarp aminorūgščių radikalų, nutolusių vienas nuo kito. Šis procesas vyksta dalyvaujant molekuliniams ląstelės mechanizmams ir atlieka didžiulį vaidmenį suteikiant baltymams funkcinį aktyvumą.

Tretinės struktūros ypatumai

Tretinei baltymų struktūrai būdingos šios cheminės sąveikos rūšys:

  • joninis;
  • vandenilis;
  • hidrofobiškas;
  • van der Waalsas;
  • disulfidas.

Visi šie ryšiai (išskyrus kovalentinį disulfidinį ryšį) yra labai silpni, tačiau dėl kiekio stabilizuoja erdvinę molekulės formą.

Tiesą sakant, trečiasis polipeptidinės grandinės lankstymo lygis yra įvairių antrinės struktūros elementų (α spiralių; β sulankstytų sluoksnių ir kilpų) derinys, kurie yra orientuoti erdvėje dėl cheminės sąveikos tarp šoninių aminorūgščių radikalų. Schematiškai pavaizduoti tretinę baltymo struktūrą, α-spiralės žymimos cilindrais arba spiralinėmis linijomis, sulankstyti sluoksniai – rodyklėmis, o kilpos – paprastomis linijomis.

Tretinės konformacijos pobūdį lemia aminorūgščių seka grandinėje, todėl vienodomis sąlygomis dvi vienodos pirminės struktūros molekulės atitiks tą patį erdvinį išsidėstymą. Ši konformacija užtikrina baltymo funkcinį aktyvumą ir vadinama natūralia.

Baltymų molekulės sulankstymo procese aktyvaus centro komponentai artėja vienas prie kito, kurie pirminėje struktūroje gali būti žymiai pašalinti vienas nuo kito.

Viengrandžių baltymų tretinė struktūra yra galutinė funkcinė forma. Sudėtingi kelių subvienetų baltymai sudaro ketvirtinę struktūrą, kuri apibūdina kelių grandinių išsidėstymą viena kitos atžvilgiu.

Cheminių ryšių apibūdinimas tretinėje baltymo struktūroje

Daugeliu atvejų polipeptidinės grandinės sulankstymas yra dėl hidrofilinių ir hidrofobinių radikalų santykio. Pirmieji linkę sąveikauti su vandeniliu (vandens sudedamuoju elementu) ir todėl yra paviršiuje, o hidrofobinės sritys, atvirkščiai, veržiasi į molekulės centrą. Ši konformacija energetiškai pati palankiausia. Dėl to susidaro rutuliukas su hidrofobine šerdimi.

Hidrofiliniai radikalai, kurie vis dėlto patenka į molekulės centrą, sąveikauja tarpusavyje, sudarydami joninius arba vandenilio ryšius. Joninės jungtys gali atsirasti tarp priešingai įkrautų aminorūgščių radikalų, kurie yra:

  • katijoninės arginino, lizino arba histidino grupės (turi teigiamą krūvį);
  • glutamo ir asparto rūgšties radikalų karboksilo grupės (turi neigiamą krūvį).

Vandeniliniai ryšiai susidaro sąveikaujant neįkrautoms (OH, SH, CONH 2) ir įkrautoms hidrofilinėms grupėms. Kovalentiniai ryšiai (stipriausi tretinėje konformacijoje) atsiranda tarp cisteino liekanų SH grupių, sudarydamos vadinamuosius disulfidinius tiltus. Paprastai šios grupės yra atskirtos viena nuo kitos tiesine grandine ir artėja viena prie kitos tik krovimo proceso metu. Disulfidiniai ryšiai nėra būdingi daugumai tarpląstelinių baltymų.

konformacinis labilumas

Kadangi ryšiai, sudarantys tretinę baltymo struktūrą, yra labai silpni, dėl Browno atomų judėjimo aminorūgščių grandinėje jie gali nutrūkti ir susidaryti naujose vietose. Dėl to šiek tiek pasikeičia atskirų molekulės dalių erdvinė forma, tačiau nepažeidžiama natūrali baltymo konformacija. Šis reiškinys vadinamas konformaciniu labilumu. Pastarasis vaidina didžiulį vaidmenį ląstelių procesų fiziologijoje.

Baltymo konformacijai įtakos turi jo sąveika su kitomis molekulėmis arba aplinkos fizikinių ir cheminių parametrų pokyčiai.

Kaip susidaro tretinė baltymo struktūra?

Baltymų sulankstymas į natūralią formą vadinamas lankstymu. Šis reiškinys pagrįstas molekulės noru priimti konformaciją su minimalia laisvos energijos verte.

Jokiam baltymui nereikia tarpinių instruktorių, kurie nustatys tretinę struktūrą. Krovimo schema iš pradžių „įrašoma“ į aminorūgščių seką.

Tačiau normaliomis sąlygomis, kad didelė baltymo molekulė įgytų pirminę struktūrą atitinkančią prigimtinę konformaciją, prireiktų daugiau nei trilijonų metų. Nepaisant to, gyvoje ląstelėje šis procesas trunka vos kelias dešimtis minučių. Tokį reikšmingą laiko sutrumpinimą užtikrina specializuotų pagalbinių baltymų - folazių ir chaperonų - lankstymas.

Mažų baltymų molekulių (grandinėje iki 100 aminorūgščių) lankstymas vyksta gana greitai ir nedalyvaujant tarpininkams, ką parodė eksperimentai in vitro.

Sulankstymo veiksniai

Papildomi baltymai, susiję su lankstymu, skirstomi į dvi grupes:

  • foldazės - turi katalizinį aktyvumą, reikalingos kiekiui, žymiai mažesniam už substrato koncentraciją (kaip ir kiti fermentai);
  • chaperonai yra baltymai, turintys įvairius veikimo mechanizmus; jų reikia koncentracijos, panašios į sulankstyto substrato kiekį.

Abiejų tipų veiksniai yra susiję su lankstymu, bet nėra galutinio produkto dalis.

Foldazių grupę sudaro 2 fermentai:

  • Baltymų disulfido izomerazė (PDI) - kontroliuoja teisingą disulfidinių jungčių susidarymą baltymuose, kuriuose yra daug cisteino liekanų. Ši funkcija yra labai svarbi, nes kovalentinė sąveika yra labai stipri, o esant klaidingoms jungtims, baltymas negalėtų persitvarkyti ir perimti natūralios konformacijos.
  • Peptidil-prolil-cis-trans-izomerazė - keičia radikalų, esančių prolino šonuose, konfigūraciją, o tai keičia polipeptidinės grandinės vingio pobūdį šioje srityje.

Taigi foldazės atlieka korekcinį vaidmenį formuojant tretinę baltymo molekulės konformaciją.

Lydėjai

Chaperonai kitaip vadinami arba stresu. Taip yra dėl reikšmingo jų sekrecijos padidėjimo neigiamo poveikio ląstelei metu (temperatūra, radiacija, sunkieji metalai ir kt.).

Chaperonai priklauso trims baltymų šeimoms: hsp60, hsp70 ir hsp90. Šie baltymai atlieka daugybę funkcijų, įskaitant:

  • baltymų apsauga nuo denatūravimo;
  • naujai susintetintų baltymų tarpusavio sąveikos pašalinimas;
  • neteisingų silpnų ryšių tarp radikalų susidarymo ir jų labializavimo (koregavimo) prevencija.

Taigi chaperonai prisideda prie greito energetiškai teisingos konformacijos įgijimo, pašalindami atsitiktinį daugelio variantų surašymą ir apsaugodami dar nesubrendusias baltymų molekules nuo nereikalingos sąveikos tarpusavyje. Be to, palydovai suteikia:

  • kai kurios baltymų transportavimo rūšys;
  • perlenkimo kontrolė (tretinės struktūros atkūrimas po jos praradimo);
  • išlaikant nebaigto lankstymo būseną (kai kuriems baltymams).

Pastaruoju atveju chaperono molekulė lieka surišta su baltymu pasibaigus lankstymo procesui.

Denatūravimas

Tretinės baltymo struktūros pažeidimas veikiant bet kokiems veiksniams vadinamas denatūracija. Natūralios konformacijos praradimas atsiranda, kai nutrūksta daug silpnų ryšių, stabilizuojančių molekulę. Tokiu atveju baltymas praranda specifinę funkciją, tačiau išsaugo pirminę struktūrą (denatūruojant nesunaikinami peptidiniai ryšiai).

Denatūracijos metu baltymo molekulės erdvinis padidėjimas atsiranda, o hidrofobinės sritys vėl iškyla į paviršių. Polipeptidinė grandinė įgauna atsitiktinės spiralės konformaciją, kurios forma priklauso nuo to, kurios baltymo tretinės struktūros ryšiai buvo nutrūkę. Šioje formoje molekulė yra jautresnė proteolitinių fermentų poveikiui.

Tretinę struktūrą pažeidžiantys veiksniai

Yra daug fizinių ir cheminių poveikių, galinčių sukelti denatūravimą. Jie apima:

  • temperatūra virš 50 laipsnių;
  • spinduliuotė;
  • terpės pH pokytis;
  • sunkiųjų metalų druskos;
  • kai kurie organiniai junginiai;
  • plovikliai.

Pasibaigus denatūravimo efektui, baltymas gali atkurti tretinę struktūrą. Šis procesas vadinamas renaturacija arba perlankstymu. In vitro sąlygomis tai įmanoma tik mažiems baltymams. Gyvoje ląstelėje perlankstymą užtikrina chaperonai.