Уровни структурной организации белковой молекулы. Функции белков.

Тема: «УРОВНИ СТРУКТУРНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ БЕЛКОВОЙ МОЛЕКУЛЫ. ФУНКЦИИ БЕЛКОВ»

1. Строение аминокислот, входящих в состав белка. Классификация аминокислот, основанная на свойствах их радикалов.

2. Первичная структура белка. Пептидная связь, особенности её образования, правила написания и номенклатура пептидов. Растворимость пептидов в воде и органических растворителях.

3. Понятие об уровнях структурной организации белковых молекул, типы химических связей, стабилизирующих каждый уровень. Примеры фибриллярных и глобулярных белков.

4. Физико-химические свойства белков (молекулярная масса, изоэлектрическая точка, растворимость в воде). Денатурация белков: факторы, вызывающие денатурацию; примеры использования процесса денатурации в медицине.

5. Функции белков (примеры). Взаимодействие белков с лигандами как основа функционирования белков.

6. Понятие о простых и сложных белках. Простые белки: протамины, гистоны, альбумины, глобулины, коллаген, эластин, кератин (особенности аминокислотного состава, моле-кулярная масса, конформация, растворимость в воде).

7. Понятие о методах разделения белков: хроматографические методы (гель-фильтрация, ионообменная, гидрофобная, аффинная хроматография); электрофоретические методы; ультрацентрифугирование, высаливание, диализ. Примеры использования методов разделения белков в медицине и фармации.

Раздел 2.1

Уровни структурной организации белков. Типы связей, формирующих каждую структуру. Варианты структурной организации в пределах каждого уровня.

Принято выделять четыре уровня структурной организации белковой молекулы: первичная, вторичная, третичная и четвертичная структура. Рассмотрим особенности каждого из этих уровней.

2.1.1. Первичной структурой белка называют последовательность чередования аминокислот в полипептидной цепи. Эту структуру формируют пептидные связи между α-амино- и α-карбоксильными группами аминокислот (см. 1.4.2). Имейте в виду, что даже небольшие изменения первичной структуры белка могут значительно изменять его свойства. Примером заболеваний, развивающихся в результате изменения первичной структуры белка, являются гемоглобинопатии (гемоглобинозы) .

В эритроцитах здоровых взрослых людей присутствует гемоглобин А (Hb А) . В крови некоторых людей содержится аномальный (изменённый) гемоглобин - гемоглобин (Hb S). Единственное отличие первичной структуры Hb S от Hb A - замена гидрофильного остатка глутаминовой кислоты на гидрофобный остаток валина в концевом участке их β-цепей:

HbA, HbS

Как известно, основная функция гемоглобина -транспорт кислорода к тканям. В условиях пониженного парциального давления О2 снижается растворимость гемоглобина S в воде и его способность связывать и переносить кислород. Эритроциты принимают при этом серповидную форму, быстро разрушаются, вследствие чего развивается малокровие (серповидно-клеточная анемия] .

Установлено, что последовательность аминокислотных остатков полипептидной цепи белка несёт в себе информацию, необходимую для формирования пространственной структуры белка. Установлено, что каждой полипептидной последовательности соответствует только один стабильный вариант пространственной структуры. Процесс сворачивания полипептидной цепи в правильную трёхмерную структуру получил название фолдинг.

До последнего времени считалось, что формирование пространственной структуры белка происходит самопроизвольно, без участия каких-либо компонентов. Однако сравнительно недавно обнаружилось, что это справедливо только для сравнительно небольших белков (порядка 100 аминокислотных остатков). В процессе фолдинга более крупных белков принимают участие специальные протеины - шапероны, которые создают возможность быстрого формирования правильной пространственной структуры белка.

2.1.2. Вторичная структура белка представляет собой способ свёртывания полипептидной цепи в спиральную или иную конформацию. При этом образуются водородные связи между СО-и NH-группами пептидного остова одной цепи или смежных полипептидных цепей. Известно несколько типов вторичной структуры пептидных цепей, среди которых главными являются α-спираль и β-складчатый слой.

α-Спираль - жёсткая структура, имеет вид стержня. Внутреннюю часть этого стержня создаёт туго закрученный пептидный остов, радикалы аминокислот направлены наружу. При этом СО-группа каждого аминокислотного остатка взаимодействует с NH-группой четвёртого от него остатка. На один виток спирали приходится 3,6 аминокислотных остатка, а шаг спирали составляет 0,54 нм (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1. α-Спираль.

Некоторые аминокислоты препятствуют свёртыванию цепи в α-спираль, и в месте их расположения непрерывность спирали нарушается. К этим аминокислотам относятся пролин (в нём атом азота входит в состав жёсткой кольцевой структуры и вращение вокруг связи N - Сα становится невозможным) , а также аминокислоты с заряженными радикалами, которые электростатически или механически препятствуют формированию α-спирали. Если в пределах одного витка (примерно 4 аминокислотных остатка) находятся два таких радикала (или более), они взаимодействуют и деформируют спираль.

β-Складчатый слой отличается от α-спирали тем, что имеет плоскую, а не стержневидную форму. Образуется при помощи водородных связей в пределах одной или нескольких полипептидных цепей. Пептидные цепи могут быть расположены в одном направлении (параллельно) или в противоположных направлениях (антипараллельно) , напоминая меха аккордеона. Боковые радикалы находятся выше и ниже плоскости слоя.

Рисунок 2.2. β-Складчатый слой.

Обратите внимание на то, что тип вторичной структуры белка определяется его первичной структурой. Например, в месте расположения остатка пролина (атомы пирролидинового кольца в пролине лежат в одной плоскости) пептидная цепь делает изгиб, и водородные связи между аминокислотами не образуются. Поэтому белки с высоким содержанием пролина (например, коллаген) не способны образовывать а-спираль. Радикалы аминокислот, несущие электрический заряд, также препятствуют спирализации.

2.1.3. Третичная структура белка - это распределение в пространстве всех атомов белковой молекулы, или иначе говоря, пространственная упаковка спирализованной полипептидной цепи. Основную роль в образовании третичной структуры белка играют водородные, ионные, гидрофобные и дисульфидные связи, которые образуются в результате взаимодействия между радикалами аминокислот.

Водородные связи образуются между двумя полярными незаряженными радикалами или между незаряженным и заряженным радикалами, например, радикалами серина и глутамина:

Ионные связи могут возникать между противоположно заряженными радикаламинапример, радикалами глутамата и аргинина:

Гидрофобные взаимодействия характерны для неполярных радикалов, например, валина и лейцина:

Дисульфидные связи образуются между SH-группами двух радикалов цистеина, находящихся в разных участках полипептидной цепи:
.

По форме молекулы и особенностям формирования третичной структуры белки делят на глобулярные и фибриллярные.

Глобулярные белки - имеют сферическую или эллипсовидную форму молекулы (глобула). В процессе образования глобулы гидрофобные радикалы аминокислот погружаются во внутренние области, гидрофильные радикалы располагаются на поверхности молекулы. При взаимодействии с водной фазой полярные радикалы образуют многочисленные водородные связи. Белки удерживаются в растворённом состояния за счёт заряда и гидратной оболочки. В организме глобулярные белки выполняют динамические функции (транспортную, ферментативную, регуляторную, защитную). К глобулярным белкам относятся:

Альбумин - белок плазмы крови; содержит много остатков глутамата и аспартата; осаждается при 100%-ном насыщении раствора сульфатом аммония.
Глобулины - белки плазмы крови; по сравнению с альбумином оббладают большей молекулярной массой и содержат меньше остатков глутамата и аспартата, осаждаются при 50%-ном насыщении раствора сульфатом аммония.
Гистоны - входят в состав ядер клеток, где образуют комплекс с ДНК. Содержат много остатков аргинина и лизина.

Фибриллярные белки - имеют нитевидную форму (фибриллы) , образуют волокна и пучки волокон. Между соседними полипептидными цепями имеется много поперечных ковалентных сшивок. Нерастворимы в воде. Переходу в раствор препятствуют неполярные радикалы аминокислот и сшивки между пептидными цепями. В организме выполняют главным образом структурную функцию, обеспечивают механическую прочность тканей. К фибриллярным белкам относятся:

Коллаген - белок соединительной ткани. В его составе преобладают аминокислоты глицин, пролин, гидроксипролин.
Эластин - более эластичен, чем коллаген, входит в состав стенок артерий, лёгочной ткани, в его составе преобладают аминокислоты глицин, аланин, валин.
Кератин - белок эпидермиса и производных кожи, в его структуре преобладает аминокислота цистеин.

2.1.4. Четвертичная структура белка - размещение в пространстве взаимодействующих между собой субъединиц, образованных отдельными полипептидными цепями белка.Четвертичная структура - высший уровень организации белковой молекулы, к тому же необязательный - более половины известных белков её не имеют. Белки, обладающие четвертичной структурой, называют также олигомерными белками, а полипептидные цепи, входящие в их состав, - субъединицами или протомерами. В некоторых белках такие субъединицы одинаковы или имеют сходное строение, а другие белки состоят из субъединиц с цепями разных типов.

Каждый из протомеров синтезируется в виде отдельной полипептидной цепи, которая сворачивается в глобулу и затем объединяется с другими путём самосборки. Каждая субъединица содержит участки, способные взаимодействовать с соответствующими участками других субъединиц. Эти взаимодействия осуществляются посредством водородных, ионных и гидрофобных связей между радикалами аминокислот, входящих в состав разных цепей.

Олигомерные белки могут существовать в виде нескольких устойчивых конформаций и обладают аллостерическими свойствами, то есть способны переходить из одной конформаций в другую с изменением своей функциональной активности. Примерами олигомерных белков могут служить эритроцитарный белок гемоглобин, фермент фосфофруктокиназа и многие другие.

Более подробно структурная организация и функционирование олигомерных белков будут рассмотрены в следующей теме на примере гемоглобина (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3. Пространственное строение гемоглобина. В состав его молекулы входят четыре попарно одинаковые субъединицы, обозначаемые буквами α и β. Небелковая часть гемоглобина — гем — показана синим цветом.

Известны также белки, модекула которых состоит из двух или более полипептидных цепей, соединённых дисульфидными связями (инсулин, тромбин). Подобные белки нельзя олигомерными. Такие белки образуются из единой полипептидной цепи в результате частичного протеолиза - локального расщепления пептидных связей. Аллостерическими свойствами, характерными для олигомерных белков, такие белки не обладают.

Раздел 2.2

Функции белков. Специфическое взаимодействие белков с лигандами. Ингибиторы белковых функций.

2.2.1. Белки играют важнейшую роль в организме, выполняя многообразные биологические функции.Запомните наиболее важные из них и примеры соответствующих белков, изучив таблицу 2.2.

Таблица 2.2
Функциональная классификация белков

Функция белка	Сущность	Примеры
Каталитическая (ферментативная)	Ускорение химических реакций в организме	Пепсин, трипсин, каталаза, цитохромоксидаза
Транспортная	Транспорт (перенос) химических соединений в организме	Гемоглобин, альбумин, трансферрин
Структурная пластическая	Обеспечение прочности и эластичности тканей	Коллаген, эластин, кератин
Сократительная	Укорочение саркомеров мышцы (сокращение)	Актин, миозин
Гормональная (регуляторная)	Регуляция обмена веществ в клетках и тканях	инсулин, соматотропин, глюкагон, кортикотрспин
Защитная	Защита организма от повреждающих факторов	Интерфероны, иммуноглобулины
Энергетическая	Высвобождение энергии за счёт распада аминокислот	Белки пищи и тканей

2.2.2. Обратите внимание на то, что в основе функционирования любого белка лежит его способность к избирательному взаимодействию со строго определёнными молекулами или ионами (лигандами) . Например, для ферментов, катализирующих химические реакции, лигандами будут вещества, участвующие в этих реакциях (субстраты), для транспортных белков - транспортируемые вещества и т.д.

2.2.3. Лиганд способен взаимодействовать не со всей поверхностью белковой молекулы, а только с определённым её участком, который представляет собой центр связывания или активный центр. Этот центр формируется пространственно сближенными радикалами аминокислот на уровне вторичной или третичной структуры белка. Способность лиганда взаимодействовать с центром связывания обусловлена их комплементарностью, то есть взаимным соответствием их пространственной структуры (подобно взаимодействию «ключ - замок»). Между функциональными группами лиганда и центра связывания образуются нековалентные (водородные, ионные, гидрофобные), а также ковалентные связи. Комплементарностью лиганда и центра связывания можно объяснить высокую специфичность (избирательность) взаимодействия белок - лиганд.

Важно отметить, что изменение пространственной структуры белка в процессе денатурации (см. 2.4) приводит к разрушению центров связывания и утрате биологической функции белка.

Раздел 2.3

Денатурация белков. Факторы вызываюшие денатурацию. Роль шаперонов в защите белков от денатурации в условиях клетки.

2.3.1. Как известно из курса биофизической химии, белки как высокомолекулярные соединения образуют коллоидные растворы. Стабильность растворов белков в воде определяется следующими факторами:

величиной коллоидных частиц - чем они меньше, тем устойчивей раствор;
величиной заряда частиц - чем больше заряд частицы, тем стабильнее раствор;
величиной гидратной (сольватной) оболочки - чем больше сольватационной воды содержит коллоид, тем он устойчивее.

2.3.2. Под действием различных физических и химических факторов может происходить осаждение белков из коллоидных растворов. Различают:

обратимые реакции осаждения (высаливание) , когда осадок белка можно вновь растворить в воде с восстановлением его исходных физико-химических и биологических свойств;
необратимые реакции осаждения под действием факторов, вызывающих грубые нарушения структурной организации белковой молекулы (денатурацию}.

В основе реакций осаждения белков могут лежать следующие механизмы:

нейтрализация электрического заряда - при добавлении электролитов (кислот, щелочей, солей);
разрушение гидратной оболочки - при добавлении водоотнимающих веществ (спирта, ацетона, концентрированных растворов электролитов) и при нагревании;
увеличение размеров коллоидных частиц - под действием факторов, вызывающих денатурацию белка.

Чаще всего для действия факторов, вызывающих осаждение белков, характерно сочетание двух или всех трёх перечисленных механизмов.

2.3.3. Денатурацией белков называется это изменение нативных (природных) физико-химических и, главное, биологических свойств белка вследствие нарушения его четвертичной, третичной и даже вторичной структуры. Денатурацию белка могут вызвать:

температура выше 60° С;
ионизирующая радиация;
концентрированные кислоты и щёлочи;
соли тяжёлых металлов (ртути, свинца, кадмия);
органические соединения (спирты, фенолы, кетоны) .

Для денатурированных белков характерно:

изменение конформации молекулы;
уменьшение растворимости в воде;
изменение заряда молекулы;
меньшая устойчивость к действию протеолитических ферментов;
потеря биологической активности.

Обратите внимание, что при определённых условиях возможно восстановление исходной (нативной) конформации белка после удаления фактора, вызвавшего денатурацию. Этот процесс получил название ренаживации.

Запомните некоторые примеры использования процесса денатурации белков в медицине:

для осаждения белков плазмы крови при определении содержания небелковых веществ в крови;
при проведении дезинфекции и санитарной обработки;
при лечении и профилактике отравлений солями тяжёлых металлов (в качестве противоядия применяют молоко или яичный белок);
для получения лекарственных веществ белковой природы (используется денатурация в мягких условиях с последующей ренативацией).

Раздел 2.4

Методы выделения и количественного определения белков.

2.4.1.Как вам уже известно, различные белки отличаются друг от друга по своим физико-химическим свойствам и биологической активности. На этих различиях основаны широко используемые в медицине и биотехнологии методы разделения белковых смесей на фракции и выделения отдельных белков. Запишите в тетрадь схему, представленную на рисунке 3 и запомните сущность перечисленных методов.

Рисунок 2.4. Свойства белковой молекулы и методы фракционирования белков.

2.4.2. Для разделения белков по молекулярной массе наиболее часто применяют методы гель-фильтрации, ультрацентрифугирования, диализа и диск-электрофореза.

Рисунок 2.5. Гель-фильтрация

Гель-фильтрация - метод, основанный на различной способности молекул разных размеров проходить через своеобразные «молекулярные сита» - сефадексы - инертные гидратированные полисахаридные материалы, представляющие собой пористые гранулы. Крупные белковые молекулы не способны диффундировать внутрь гранул сефадекса и элюируются (выходят из колонки) в первую очередь. В то же время молекулы небольшого размера проникают через поры гранул, задерживаются в них и движутся в колонке с более низкой скоростью (рисунок 2.5). Метод гель-фильтрации эффективно используется и при очистке белков от низкомолекулярных примесей.

Ультрацентрифугирование. Метод основывается на измерении скорости седиментации (осаждения) белковых частиц под действием центробежной силы, создаваемой в ультрацентрифуге. Скорость седиментации частиц пропорциональна их молекулярной массе.

Диализ - процесс разделения высокомолекулярных и низкомолекулярных веществ при помощи полупроницаемой мембраны. Белки не способны проходить через такую мембрану, поэтому данный метод применяется для очистки белков от неорганических соединений.

Диск-электрофорез в полиакриламидном геле проводят в присутствии детергента - додецилсульфата натрия (ДСН), маскирующего заряд ионогенных групп в молекуле белка. Поэтому электрофоретическая подвижность белков, связанных с ДСН, будет пропорциональна их молекулярной массе.

2.4.3. На различии белков по электрическому заряду основаны методы высаливания, ионообменной хроматографии, электрофореза, изоэлектрического фокусирования.

Высаливание - процесс осаждения белков из раствора при добавлении сульфата аммония, а также солей щелочных и щелочноземельных металлов, чем больше величина заряда белка, тем более высокая концентрация соли требуется для его осаждения.

Рисунок 2.6. Ионообменная хроматография

Ионообменная хроматография - метод, основанный на взаимодействии заряженных групп белка с ионными группами полимеров-ионообменников. При разделении смеси белков наанионите (например, диэтиламиноэтилцеллюлозе) в первую очередь элюируются положительно заряженные белки, затем - нейтральные и, наконец, отрицательно заряженные белки (рисунок 2.6). При разделении смеси белков на катионообменнике(например, карбоксиметилцеллюлозе) элюция происходит в обратном порядке.

Электрофорез - метод, основанный на различной скорости движения белков в электрическом поле на различных носителях (бумага, полиакриламидный и крахмальный гели и т.д.) . Эта скорость зависит от величины заряда белка при данном значении рН.

Изоэлектрическое фокусирование - методика проведения электрофореза на колонке или в тонком слое с градиентом рН, создаваемом при помощи синтетических полиаминокарбоновых кислот - амфолинов. Каждый белок разделяемой смеси будет располагаться на колонке в участке со значением рН, соответствующем его изозлектрической точке (см. 1.4.2).

Рисунок 2.7. Гидрофобная хроматография.

2.4.4. Различная гидрофобность белковых молекул используется при проведении гидрофобной (обращённо-фазовой) хроматографии.

В качестве носителя в данном случае применяетсясиликагель с ковалентно присоединёнными углеводородными радикалами.

Чем выше гидрофобность белковой молекулы, тем прочнее она связывается с частицами модифицированного силикагеля. Поэтому при элюции вначале выделяются наиболее гидрофильные белки, а в последнюю очередь - наиболее гидрофобные (рисунок 2.7).

Рисунок 2.8. Аффинная хроматография.

2.4.5. Способность белков избирательно взаимодействовать с определёнными лигандами составляет основу метода аффинной илибиоспецифической хроматографии. Например, для выделения нужного фермента можно использовать адсорбенты, с которыми ковалентно связан его субстрат, кофермент или специфический эффектор; для извлечения из разделяемой смеси гормонов применяют связывание их иммобилизованными рецепторами и наоборот. Наиболее перспективно для выделения белков использование иммуносорбентов на основе моноклональных антител.

При пропускании смеси белков через биоспецифический сорбент нужный белок удерживается аффинной колонкой, в то время как все остальные компоненты проходят через неё, не задерживаясь. Затем осуществляется элюция специфически связанного белка (рисунок 2.8).

Таблица 2.2
Некоторые константы белков плазмы крови и тканей

Белок	Молекулярная масса, Да	Изоэлектрическая точка (pI)
Альбумин сывороточный	66 000	4.9
Альбумин яичный	45 000	4.6
α-Амилаза	50 000	5.3
Гаптоглобин	85 000	4.2
Гемоглобин	65 000	6.8
Гистоны	15 000	10.8
Иммуноглобулин А	150 000	7.3
Иммуноглобулин G	150 000	5.8
Иммуноглобулин М	950 000	6.6
Инсулин	5 780	5.35
Карбоксипептидаза	34 400	6.0
Каталаза	245 000	5.6
β-Лактоглобулин	37 100	5.2
Лизоцим	14 000	11.0
α2-Макроглобулин	820 000	5.4
Миоглобин	16 000	7.0
Орозомукоид	41 000	2.8
Пепсин	35 000	1.0
Рибонуклеаза	13 700	7.8
Трансферрин	88 000	5.4
Трипсиноген	24 000	9.3
Уреаза	480 000	5.0
Фибриноген	340 000	5.8
Химотрипсиноген	25 700	9.5
Церулоплазмин	151 000	4.4
Цитохром с	12 400	10.7

Примеры

Обучающие задачи и методы их решения

1. Задачи.

1. Для белка с первичной структурой:

H2N-ала1-цис2-фен3-арг4-сер5-гли6-тре7-вал8-асп9-тир10-мет11-ала12-гис13-лей14-иле15-три16-про17-про18-глу19-лиз20-ала21-асп22-арг23-мет24-СООН

определите, какой участок полипептидной цепи при рН 7,0 может образовывать α-спираль, и на каком участке она будет деспирализована.

2. Определите, какие связи, стабилизирующие третичную структуру белка, могут образовать между собой следующие пары радикалов аминокислот: а) вал - ала; б) сер - гли; в) асп - лиз;г) тре - гли; д) фен - лей; е) цис - цис; ж) глу - арг.

3. Укажите последовательность выхода из колонки для гель-фильтрации компонентов смеси, содержащей гемоглобин, каталазу и цитохром с (параметры этих белков см. в таблице 2.2.).

4. На колонке с анионитом хроматографировали смесь, содержащую α-амилазу, рибонуклеазу и химотрипсиноген. Адсорбцию проводили при рН 8,0. Используя данные таблица 2.2., укажите последовательность выхода белков из колонки в процессе элюции.

5. Укажите направление движения при электрофорезе на бумаге при значении рН, равном 4,0, для следующих белков: сывороточного альбумина, орозомукоида и иммуноглобулина А(параметры этих белков см. в таблице 2.2 ).

2. Эталоны решения.

1. Образованию α-спирали препятствует присутствие в полипептидной цепи остатков пролина и расположенных близко друг к другу остатков заряженных аминокислот (асп, глу, арг, лиз, гис) . Поэтому на участке от про-17 до мет-24 спирализация цепи затруднена. Остальная часть пептида, по-видимому, будет иметь α-спиральную конформацию (см. 1.4.1.2; 2.4.1.2).

2. Способность радикалов аминокислот образовывать те или иные связи определяется свойствами этих радикалов. Поэтому в случаях а) и д) могут возникать гидрофобные взаимодействия между двумя неполярными радикалами; в случаях б) и г) - водородные связи между двумя полярными незаряженными радикалами; в случаях в) и ж) - ионные связи между двумя противоположно заряженными радикалами; в случае е) - дисульфидная связь (см. 1.4.1.2; 2.4.1.3).

3. Компоненты белковой смеси выходят из колонки для гель-фильтрации в порядке убывания их молекулярной массы. Используя данные таблицы 2.2, определяем искомую последовательность: 1) каталаза (молекулярная масса 245000); 2) гемоглобин (молекулярная масса 65000); 3) цитохром с (молекулярная масса 12400); (см. 2.4.4.1).

4. При разделении смеси белков на анионообменнике в первую очередь элюируются положительно заряженные белки, затем нейтральные и отрицательно заряженные. Используя значения р! для перечисленных белков (таблица 2.2) и определив заряд каждого из них при 8,0, находим искомую последовательность: 1) химотрипсиноген (положительно заряженный белок); 2)рибонуклеаза, (ближе к нейтральному); 3) отрицательно заряженный белок - α-амилаза (см. 2.4.4.2).

5. Используя значения рI для перечисленных белков (таблица 2.2) и определив заряд каждого при рН 4,0, определяем направление при электрофорезе:

а) сывороточный альбумин - положительно заряженный, движется к катоду;

б) орозомукоид - отрицательно заряженный, движется к аноду;

в) иммуноглобулин А - положительно заряженный, движется к катоду (см. 2.4.4.2).