Структурная организация белков

1.

СЗГМУ им. И. И. МЕЧНИКОВА
КАФЕДРА КЛИНИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРНОЙ ДИАГНОСТИКИ,
БИОЛОГИЧЕСКОЙ И ОБЩЕЙ ХИМИИ им. В.В. СОКОЛОВСКОГО
БИОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ-БИОХИМИЯ ПОЛОСТИ РТА
РАЗДЕЛ I
ЛЕКЦИЯ
СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ БЕЛКОВ
Доцент Антонова Ж.В.
2023/2024

2.

План лекции
1. Характеристика протеиногенных аминокислот (классификация, посттрансляционная
модификация АК).
2. Первичная структура белков (определение понятия, образование пептидной связи и её
характеристика, строение полипептидной цепи, биологическая роль первичной
структуры белков).
3. Вторичная структура белков (определение понятия, виды вторичной структуры; связи,
стабилизирующие вторичную структуру, биологическая роль).
4. Третичная структура белков (определение понятия, виды структур; связи,
стабилизирующие третичную структуру; биологическая роль).
5.Четвертичная структура (определение понятия, биологическая роль, кооперативный
эффект на примере оксигенации гемоглобина).
6.Биологическая роль белков.
7.Классификация белков по строению (простые и сложные).
8. Рекомендуемая литература.
2

3.

1. ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОТЕИНОГЕННЫХ АМИНОКИСЛОТ(АК)
Белки – важнейшие биополимеры, мономерами которых являются
-аминокислоты, относящиеся к L – стереохимическому ряду.
В настоящее время в составе белков человека обнаружена 21 L – АК.
Каждая из этих АК генетически закодирована одним или несколькими
триплетами азотистых оснований – кодонами. Поэтому АК, кодируемые
кодонами и входящие в состав белков, называются протеиногенные.
Для записи аминокислотной последовательности в составе белков и
пептидов используются трехбуквенные или однобуквенные
сокращения, например Арг-Гли-Асп (Arg-Gly-Asp), или R-G-D.
Протеиногенные - АК классифицируются на основе физикохимических свойств боковых радикалов (слайд 4 и 5).
3

4.

Классификация протеиногенных аминокислот
По химическому строению - АК делятся на 5 групп
АК с алифатическими радикалами (Гли, Ала, Вал, Лей, Иле)
АК, содержащие в алифатическом радикале дополнительную
функциональную группу (гидроксильную – Сер, Тре;
карбоксильную- Асп, Глу; амидную- Асн, Глн; аминогруппу –
Лиз; гуанидиновую группу- Арг; содержащие серу- Цис, Мет)
АК, содержащие ароматический радикал (Фен, Тир)
АК с гетероциклическими радикалами (Три, Гис)
Иминокислота (Про)
4

5.

Классификация протеиногенных аминокислот
По полярности (заряду) и растворимости в воде (гидрофильности или
гидрофобности) боковых радикалов - АК подразделяются на 4 группы
АК с неполярными (гидрофобными) радикалами
АК с полярными (гидрофильными) незаряженными радикалами (Гли, Сер,
Тре, Тир, Цис, Se-Цис, Асн, Глн)
АК с полярными (гидрофильными) положительно заряженными
радикалами (Лиз, Арг, Гис)
АК с полярными (гидрофильными) отрицательно заряженными
радикалами (Асп, Глу)
Протеиногенные - АК по возможности синтеза в организме делятся на
заменимые и незаменимые. Незаменимые АК для взрослого здорового
человека: Вал, Иле, Лей, Лиз, Мет, Тре, Три, Фен; к условно незаменимым
относят Гис и Арг вследствие недостаточности синтеза в организме,
5
особенно у детей.

6.

Посттрансляционная модификация протеиногенных АК
После синтеза белковой цепи, некоторые АК в составе белка могут
подвергаться посттрансляционной модификации, превращаясь в
фосфорилированные, гидроксилированные, карбоксилированные,
гликозилированные, метилированные, ацилированные и др. производные
этих АК. Введение дополнительных групп в структуру АК придает
белкам свойства, необходимые для выполнения ими специфических
функций. Например:
гидроксилирование Про и Лиз в ходе внутриклеточной стадии синтеза
коллагена необходимо для последующей стабилизации тройной спирали
проколлагена, т.к. НО- группы гидроксипролина участвуют в
образовании водородных связей между цепями. А гидроксилизин очень
важен для образования ковалентных связей между молекулами
коллагена в ходе сборки коллагеновых фибрилл.
6

7.

Посттрансляционная модификация протеиногенных АК
гликозилирование по ОН – группам Сер или Тре (О-гликозилирование)
или по Асн (N-гликозилирование) идет у белков , входящих в состав
плазматических мембран или секретирующихся из клеток; белков эмали
зуба в ходе ее созревания;
гамма-карбоксилирование радикалов Глу в составе кальций
связывающих белков минерализованных тканей костей и зубов
(остеокальцин, Gla-белки), а также в составе различных факторов
свертывания крови (фактор IIа – тромбин);
фосфорилирование по ОН –группам Сер и/или Тре идет у белков
дентина (фосфофорин) и белков эмали в ходе ее созревания; у
гистоновых белков; в ходе регуляции активности ферментов
(фосфорилирование/дефоффорилирование) и др.
7

8.

2. ПЕРВИЧНАЯ СТРУКТУРА БЕЛКОВ
Первичная структура белка –это уникальная, генетически
детерминированная линейная последовательность
аминокислотных остатков*, связанных пептидными связями.
Условно принято считать, что аминокислотные последовательности,
содержащие до десяти аминокислотных остатков, - это олигопептиды, от
десяти до пятидесяти – полипептиды, а более пятидесяти – белки.
Образование ковалентной пептидной (амидной) связи происходит в
результате взаимодействия карбоксильной группы одной АК с аминогруппой другой АК с выделением молекулы воды (Рис. 1).
Радикалы АК не участвуют в образовании пептидных связей в молекулах
белков!
*Примеч.: Аминокислотные остатки – мономеры аминокислот, входящие в состав
белков.
8

9.

Рис.1.
Образование пептидной связи
9

10.

Рис.2 . Электронное строение пептидных связей
Атомы С и N пептидной связи – в Sр2 гибридизации, σ –связи атомов
пептидной группы лежат в одной плоскости;
неподеленная электронная пара атома азота вступает в сопряжение с π –
связью карбонильной группы (Рис. 2А );
поэтому пептидная связь – это полярная трехцентровая р,π-сопряженная
система (Рис. 2Б).
δ-
А
δ-
δ+
Б
δ+
10

11.

Характеристика пептидных связей
В результате сопряжения связи «выравниваются» (-С-Nукорачивается, –С=О –удлиняется), связь -С-N приобретает характер
двоесвязанности, становится «полуторной» (Рис.3).
Вращение вокруг пептидной связи – затруднено, следовательно она –
жесткая, планарная.
Есть лактим-лактамная таутомерия. За счет лактимной формы
пептидных связей пептиды и белки дают качественную биуретовую
реакцию с ионами Cu 2+, используемую для качественного и
количественного определения общего белка в биологических
жидкостях.
Транс- конфигурация пептидной связи более энергетически выгодна и
позволяет образовать 2 водородные связи для стабилизации 2-й
структуры (Рис.4).
11

12.

Рис.3. Характеристика пептидных связей
Возможно вращение вокруг связей –С-Сα- и –N-Cα- (угол поворота 109°)
(вместо 0, 121 нм)
(вместо 0, 147 нм)
12

13.

Рис.4.
Строение (поли)пептидной цепи
Пептидный остов – цепь повторяющихся атомов в полипептидной цепи
(- NH-CH-CO-) без учета радикалов аминокислотных остатков.
Все пептиды/белки пишутся и читаются с N-конца.
13

14.

Биологическая роль первичной структуры белков
определяет дальнейшую укладку белка в пространстве, т.е.
вторичную, третичную и четвертичную структуру белка
определяет физико-химические свойства белков
определяет биологическую роль белка
определяет видовую специфичность белка
Гомологичные белки выполняют одинаковые функции в организме
разных биологических видов, например гемоглобин. У таких белков
есть инвариантные участки в первичной структуре, имеющие
одинаковую аминокислотную последовательность и отвечающие за
функцию данного белка. А есть вариабельные участки,
отличающиеся аминокислотными последовательностями у разных
видов и определяющие видовую специфичность этого белка.
14

15.

Установление первичной структуры белков
Осуществляется путем определения их состава и аминокислотной
последовательности – «секвенирование». Первоначально
секвенирование проводили последовательным гидролизом пептидных
связей исследуемого белка, затем определяли концевые
аминокислотные остатки с помощью различных химических реакций.
Современные роботизированные приборы секвенаторы позволяют
быстро установить аминокислотную последовательность, для чего
необходимо не более 1 нг (!) белка.
Установление первичной структуры белков и пептидов необходимо для
понимания механизмов патогенеза различных заболеваний, создания
синтетических лекарственных средств и других медико-биологических
задач.
15

16.

3. ВТОРИЧНАЯ СТРУКТУРА БЕЛКОВ
Вторичная структура белков – это регулярная,
пространственно упорядоченная укладка полипептидной цепи –
пептидного остова без учета конформации боковых радикалов.
Виды вторичной структуры (Рис.5):
-спираль и β-структура
(β- складчатый лист, β-слой);
наряду с этими основными
регулярными структурами могут
быть неупорядоченные участки
(нерегулярные, неоформленные,
деспирализованные) вторичной
структуры.
Рис.5
16

17.

Связи, стабилизирующие вторичную структуру.
Связи, стабилизирующие -спираль и β- структуру, – водородные.
Образованы атомами пептидных групп полипептидного остова:
в -спирали каждая -NH группа полипептидного остова образует
δ- δ+
водородную связь ( -С=О … Н-N- ) с группой –С=О четвертого от нее
аминокислотного остатка;
в -спирали водородные связи направлены параллельно оси молекулы,
поэтому -спирали устойчивы к деформации (сжатию и растяжению);
в β- структуре водородные связи формируются между атомами
пептидных групп линейных областей одной полипептидной цепи,
делающей изгиб (Рис.5), или между разными цепями;
в β- структуре водородные связи направлены перпендикулярно оси
молекулы, поэтому структура подвержена сжатию и растяжению.
17

18.

Параметры -спирали
Рис. 6.
-Спираль характеризуется следующими
регулярными (т.е. повторяемыми у разных
белков) параметрами (Рис.6):
один виток спирали образуют 3,6 АК-остатка;
шаг спирали – расстояние между двумя
соседними витками, составляет 0, 54 нм;
высота витка – 0,15 нм;
диаметр спирали – 0,5 нм
-спираль –отвечает минимуму свободной
энергии и является наиболее устойчивой
конформацией пептидного остова.
-Спираль правозакручена по часовой стрелке вокруг
оси. Правый ход спирали обусловлен L-АК.
18

19.

Рис. 7 -Спираль
Б
А
Водородные связи слабые, но
стабилизирующий эффект
достигается их количеством (Рис. 7А)
Радикалы АК-остатков направлены в
стороны от спирали и не образуют
стабилизирующие водородные связи
(Рис. 7Б)
19

20.

Рис. 8
Антипараллельная β- структура
Если С- и N- концы цепей совпадают, то получается параллельная β- складчатая
структура. Если связанные цепи направлены противоположно – это
антипараллельная β-структура (Рис.8)
Радикалы аминокислотных остатков направлены в стороны и не принимают
участие в формировании стабилизирующих структуру водородных связей.
20

21.

Нерегулярные, (неупорядоченые, неспирализованные) участки
вторичный структуры.
Факторы нарушающие спирализацию:
• включение пролина вызывает угол поворота цепи 135°
• одноименно заряженные радикалы аминокислот
• объемные радикалы изменяют шаг спирали
• гидрофобные радикалы
• образование -S-S- связей
Биологическая роль неспирализованных (неупорядоченных,
нерегулярных) структур заключается в том, что в этих участках
полипептидная цепь может сделать изгиб, поворот, необходимый для
формирования, например, компактной глобулы.
21

22.

Биологическая роль вторичной структуры
Вторичная структура необходима для формирования последующих
уровней организации белков.
В глобулярных и фибриллярных белках обнаружены как -спирали,
так и β-структуры.
За открытие вторичной структуры белка с использованием метода
рентгеноструктурного анализа Л. Полинг получил нобелевскую
премию (1954 г.)
Альфа- структурная организация белковой цепи получила название
«модель Л. Полинга – Р. Кори»
22

23.

4. ТРЕТИЧНАЯ СТРУКТУРА БЕЛКА
Третичная структура белка – это трёхмерная пространственная
структура (конформация), образующаяся за счет взаимодействий между
радикалами аминокислотных остатков.
Виды третичной структуры:
глобулярнуая (шарообразная)-гемоглобин, все ферменты, алюбумины;
фибриллярная (вытянутая, волокнистая)-коллагены, кератин, миозин;
При формировании третичной структуры радикалы аминокислотных
остатков сближаются в пространстве так, что между ними возможно
взаимодействие за счет водородных, ионных, гидрофобных связей,
дисульфидных мостиков, которые стабилизируют всю структуру(Рис.9).
Сближение и особая ориентация в пространстве аминокислотных
радикалов формируют функциональные центры, вследствие чего белок
начинает выполнять свою функцию.
23

24.

Рис. 9
Связи, стабилизирующие третичную структуру белков
δδ+
1. ДИСУЛЬФИДНЫЕ
2. ИОННЫЕ
3. ВОДОРОДНЫЕ
δ+
4. ГИДРОФОБНЫЕ
24

25.

ШАПЕРОНЫ
Роль шаперонов первого типа -формирование нативной
пространственной структуры белков или фолдинг. Они
обеспечивают завершение формирования третичной
структуры белковой молекулы, белок приобретает
стабильную нативную (природную) конформацию.
Роль шаперонов второго типа – «белков теплового шока» восстановление третичной структуры белка после
конформационных (обратимых) изменений в результате
воздействия температуры, рН, присоединения лигандов
25

26.

Роль третичной структуры
Белок приобретает нативную форму и становится функционально
активным за счет образования функциональных центров.
Конформационные изменения третичной структуры имеют
регуляторная функцию. Так изменение t, рН, присоединение лигандов и
др.воздействия приводят к обратимым конформационным изменениям
белка, а следовательно, изменению скорости выполнения его функции,
что лежит в основе регуляции.
Белок реагирует на изменение окружающей среды, следовательно,
конформационные изменения белков лежат в основе адаптации
организма к условиям окружающей среды.
26

27.

5. ЧЕТВЕРТИЧНАЯ СТРУКТУРА БЕЛКОВ
Четвертичная структура белков –это ассоциация одинаковых или
разных белковых глобул (субъединиц, протомеров) в единый
комплекс. Такие белки называются олигомерными и имеют большую
молекулярную массу (Рис.10).
Взаимодействие протомеров осуществляется во многих точках
контактирующих поверхностей с образованием десятков слабых
связей: гидрофобных, водородных, ионных.
Благодаря этому контактные поверхности соединяются с высокой
специфичностью, и ошибки в формировании четвертичной
структуры белков практически исключены.
27

28.

Рис.10. Строение гемоглобина
Пример белка с четвертичной
структурой – гемоглобин. Он
содержит 2 -субъединицы (141 АК)
и две β-субъединицы (146 АК).
С каждой субъединицей связана
молекула гема, содержащая железо.
28

29.

Биологическая роль четвертичной структуры белков
Появление кооперативного эффекта при выполнении функций (Рис.11)
Появление регуляции активности белков за счет наличия дополнительных субъединиц
с регуляторными центрами.
Создание большего разнообразия форм у белков с четвертичной структурой и
разными субъединицами. Например, за счет комбинации различных субъединиц
образуются органоспецифические изоферменты. Комбинация 2-х типов субъединиц Н
и М дает 5 изоферментов лактатдегидрогеназы (ЛДГ): ЛДГ1 -(НННН); ЛДГ2 – (НННМ);
ЛДГ3 – (ММНН); ЛДГ4 – (МММН); ЛДГ5 – (ММММ).
Интеграция нескольких взаимосвязанных функций в единой структуре. Например,
синтез высшей жирной кислоты (ВЖК) на полиферментном комплексе, где каждая
субъдиница, обладающая ферментативной активностью, последовательно выполняет
свою реакцию в едином многоступенчатом метаболическом процессе синтеза ВЖК.
При этом промежуточные продукты синтеза не уходят во внутреннюю среду, а
передаются сразу от одной субъединицы на другую, т.е. происходит
формирование метаболических и транспортных туннелей.
29

30.

Рис. 11. Эффект кооперативного связывания кислорода
гемоглобином (А). Кривые насыщения гемоглобина и
миоглобина кислородом (Б).
Б
А
30

31.

6. БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ БЕЛКОВ
процесса
31

32.

7.
Небелковая часть
18
32

33.

Рекомендуемая литература
Основная
1. Биохимия : учебник / под ред. Е.С. Северина. – М. : ГЭОТАР-Медиа, 2011. – С. 10–30, 35–38, 66–73.
Биохимия [Электронный ресурс] : учебник / под ред. Е. С. Северина. – 5-е изд., испр. и доп. – М. : ГЭОТАРМедиа, 2015. – http://www.studmedlib.ru/book/ISBN9785970433126.html (разд. 1, п. I–VI).
2. Биологическая химия. Биохимия полости рта : учебник / Т.П. Вавилова, А.Е. Медведев. – М. : ГЭОТАР-Медиа,
2014. – С. 21–39.
Биологическая химия. Биохимия полости рта [Электронный ресурс]: учебник / Т.П. Вавилова, А.Е. Медведев. –
М. : ГЭОТАР-Медиа, 2014. – С. 21–39. http://www.studmedlib.ru / book / ISBN9785970430392.html (ч. I, гл. 1).
3.Белки. Ферменты. Витамины : учебно-методическое пособие к практическим и лабораторным занятиям по
биологической химии – биохимии полости рта для студентов стоматологического факультета / под ред.
Ж.В. Антоновой, Р.Н. Павловой, В.А. Дадали. – СПб. : Изд-во СЗГМУ им. И.И. Мечникова, 2019. – С. 13–29.
4. Сборник тестовых заданий по разделам биологической химии и биохимии полости рта : учебно-методическое
пособие для студентов стоматологического факультета / под ред. В.А. Дадали, Ж.В. Антоновой, Р.Н. Павловой. –
СПб. : Изд-во СЗГМУ им. И. И. Мечникова, 2017. – С. 8–10.
Дополнительная
5. Березов, Т.Т. Биологическая химия : учебник / Т.Т. Березов, Б.Ф. Коровкин. – М. : Медицина, 1998. – С. 33–43,
49–77, 661–665.
33

34.

БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ!
ПРОЙДИТЕ ТЕСТИРОВАНИЕ.
34