Пептидная связь и конформация полипептидной цепи.

      Комментарии к записи Пептидная связь и конформация полипептидной цепи. отключены

В определенных условиях (например, при воздействии определенных ферментов), аминокислоты способны реагировать друг с другом. В результате взаимодействия ?-аминогруппы (—NH2) одной аминокислоты с ?-карбоксильной группой (—СООН) другой аминокислотывозникаетпептидная связь.

Образование пептидной связи можно представить себе, как отщепление молекулы воды от присоединяющихся к друг другу карбоксильной и аминогрупп (Рис.):

Пептидная связь и конформация полипептидной цепи.

Пептидная связь — это амидная ковалентная связь, соединяющая аминокислоты в цепочку. Полипептидная цепь имеет определенное направление, так как у неё разные концы — либо свободная a -аминогруппа (N-конец), либо свободная a -карбоксильная группа (С-конец).

Изображение последовательности аминокислот в цепи начинается с N-концевой аминокислоты. С неё же начинается нумерация аминокислотных остатков. В полипептидной цепи многократно повторяется группа: -NH-CH-CO-. Эта группа формирует пептидный остов. Последовательность аминокислот в белке уникальна и детерминируется генами. Даже небольшие изменения первичной структуры могут серьезно изменять свойства белка

Функциональные свойства белков определяются их конформацией, т.е. расположением полипептидной цепи в пространстве. Уникальность конформации для каждого белка определяется его первичной структурой. В белках различают два уровня конформации пептидной цепи — вторичную и третичную структуру. Вторичная структура белков обусловлена способностью групп пептидной связи к водородным взаимодействиям: C=O….HN.

Пептид стремится принять конформацию с максимумом водородных связей. Однако возможность их образования ограничивается тем, что пептидная связь имеет частично двойной характер, поэтому вращение вокруг нее затруднено. Пептидная цепь приобретает не произвольную, а строго определенную конформацию, фиксируемую водородными связями.

Известны несколько способов укладки полипептидной цепи:

— a -спираль — образуется внутрицепочечными водородными связями между NH-группой одного остатка аминокислоты и CO-группой четвертого от нее остатка;

— b -структура (складчатый лист) — образуется межцепочечными водородными связями или связями между участками одной полипептидной цепи изогнутой в обратном направлении;

— беспорядочный клубок — это участки, не имеющие правильной, периодической пространственной организации. Но конформация этих участков также строго обусловлена аминокислотной последовательностью.

Содержание a -спиралей и b -структур в разных белках различно: у фибриллярных белков — только a -спираль или только b -складчатый лист; а у глобулярных белков — отдельные фрагменты полипептидной цепи: либо a -спираль, либо b -складчатый лист, либо беспорядочный клубок.

Основные типы вторичной структуры белков.

Часто в полипептидных цепях содержатся участки, последовательность аминокислотных остатков которых, образует локально упорядоченные трёхмерные структуры. Совокупность таких упорядоченных структур называют вторичной структурой белков.
В результате совокупности действия таких факторов, как:
— плоское строение пептидной связи;
— возможность свободного вращения связей у ?-углеродного атома
— постоянство углов и межатомных расстояний
формируются следующие типы вторичной структуры белков:
?-спираль, ?-структура и ?-складка.
?-спираль. Это — правая спираль, которую можно себе представить в виде пептидной цепи, закрученной вокруг гипотетического цилиндра. При графическом изображении спиральные участки изображаются цилиндром.
Характеристики ?-спирали:
— содержит 3,6 аминокислотного остатка на виток с периодом повторяемости 5,4 нм *[0,54 A (A – ангстремы; 1 A = 10 нм)];
— полипептидный остов образует плотные витки вокруг длинной оси молекулы;
— боковые радикалы выступают наружу;
— спираль удерживается водородными связями между атомом водорода N-H группы одной пептидной связи и кислородом группы С=О, принадлежащей другой пептидной связи, расположенной через четыре аминокислотных остатка над первой в следующем витке спирали;
— в ?-спирали полностью использована возможность образования водородных связей (внутримолекулярные), поэтому она не способна образовывать водородные связи с другими элементами вторичной структуры.
Степень спирализации в белках колеблется от 5 до 80%. Для некоторых белков, например для цитохрома С, ?-спираль лежит в основе пространственной структуры, другие, например химотрипсин, не имеют ? спирализованных участков.
?-структура. ? -структура является вторым элементом вторичной структуры белков.

?-складчатые структуры – графически изображаются стрелкой
?-структуры имеет складчатую поверхность. Водородные связи между ?-тяжами изображены пунктиром
Характеристика ?-структуры:
— остов полипептидной цепи в ?-структуре вытянут таким образом, что имеет уже не спиральную, а зигзагообразную складчатую форму;
— боковые группы аминокислотных остатков (R-группы) направлены перпендикулярно плоскости складчатого слоя и расположены выше и ниже него;
— в отличие от ?-спирали ?-структура образована за счет межцепочечных водородных связей между соседними участками полипептидной цепи, так как внутрицепочечные контакты отсутствуют.
— в отличие от ?-спирали, насыщенной водородными связями, каждый участок полипептидной цепи в ?-структуре открыт для образования дополнительных водородных связей.
Соотношение между различными типами вторичных структур в составе белков варьирует в широких приделах, причём доля неупорядоченных структур часто превалирует над регулярными – ?-спиралью и
?-структурой.
?-изгиб. В области неупорядоченных структур достаточно протяжённые зоны представлены петлями и резкими изгибами.
Наиболее часто встречаются так называемые ?-изгибы, когда полипептидная цепь резко меняет своё направление на 180º. Этот изгиб по форме напоминает шпильку для волос и образуется между тремя аминокислотами за счет водородной связи (см. презентацию к лекции). Он необходим для изменения пространственного расположения полипептидной цепи при образовании третичной структуры белка.
!!! Какую именно конформацию принимают участки полипептидной цепи (?-спираль, ? складку, ?-изгиб или остаются неструктурированными) в значительной степени определяется первичной последовательностью полипептидной цепи.

Глобулярные булки
Структура глобулярных белков
Кроме структурных функций белки выполняют ещё ряд разнообразных функций. Среди них одна из главных — катализ химических реакций, протекающих в клетке.
1) Для осуществления каталитической (ферментативной) функции белок должен связываться с трехмерным субстратом, т.е. место связывания в молекуле белка, называемое активным центром, должно быть трехмерным. Это возможно только при условии, что сам белок имеет трехмерную третичную (глобулярную) структуру.
Таким образом, соответствие структуры и функции, предопределяет наличие у функциональных белков глобулярной структуры.
2) Кроме того, глобулярная структура обеспечивает растворимость белков в воде, так как большинство реакций протекает в цитоплазме клетки. Действительно, гидрофобные радикалы аминокислотных остатков могут быть спрятаны внутрь глобулы, а в воду экспонированы (направлены) гидрофильные остатки.
3) Для обеспечения компактной трехмерной структуры белок должен обладать элементами вторичной структуры небольшой протяженности, соединенных неструктурированными участками полипептидной цепи. Эти участки позволяют белку сворачиваться в компактную глобулу.
Рассмотрим особенности строения глобулярных белков на примере белка, обладающего ферментативной активностью – рибонуклеазы А
Структура рибонуклеазы А (одна цепь, 128 аминокислотных остатков) построена преимущественно из ?-слоев. Тем не менее, основные принципы организации остаются прежними. Дисульфидные связи (4) вместе с большим числом водородных связей (72 связи) служат каркасом молекулы и скрепляют структуру в плотную глобулу.

10)Фибрилярные белки: аминокислотный состав, структура. Конформация и функции фибрилярных белков на примере а-кератина и коллагена.
Как уже говорилось выше, структура биополимеров теснейшим образом связана с их биологической функцией. Для того чтобы выполнять структурную функцию (волосяной покров, укрепление стенок клетки, цитоскелет клетки и т.п.), белок должен обладать вытянутой нитевидной структурой и не растворяться в воде. Такие белки называются фибриллярными.
Особенности конформации фибриллярных белков:
1) Существование вытянутой нитевидной структуры белка возможно только при условии высокой степени структурированности его молекулы, т.е. формировании вторичной структуры (?-спиральной или ?-складчатой) практически на всём протяжении полипептидной цепи (более 80%).
2) Кроме того, в первичной структуре должны преобладать неполярные и незаряженные аминокислоты. Высокая степень структурированности фибриллярных белков не позволяет им сворачиваться в компактные структуры (глобулы). Поэтому гидрофобные радикалы аминокислотных остатков развёрнуты в стороны воды, что обеспечивает нерастворимость фибриллярных белков в воде.
?-Структурные фибриллярные белки, сложены из длинных перевитых спиралей (суперсперализация)
В ?-кератине такие спирали охватывают всю белковую цепь, — да и большая часть миозиновой цепи образует фибриллу такого типа. Такие структуры содержатся также в шелке — но не обычном шелке тутового шелкопряда, а шелке пчел и муравьев.
Характеристика структуры молекулы коллагена. Особняком стоит тройная спираль коллагена — основного белка соединительной ткани
а) молекула коллагена построена из трёх полипептидных цепей. Каждая полипептидная цепь содержит около 1000 аминокислотных остатков (35% — глицин, 21% — пролин и оксипролин, 11% — аланин);
б) полипептидные цепи коллагена построены из чередующихся блоков —гли–х–про- или -гли–х–оксипро- (х — аланин или другие аминокислоты). Как пролин, так и оксипролин препятствуют образованию ? спиралей и ?-складок;
в) каждая полипептидная цепь имеет конформацию плотной (3 аминокислотных остатка на виток) левозакрученной спирали (спирализация 1-го порядка);
г) в молекуле коллагена эти три спирали перевиты друг с другом, в результате чего образуется тройная суперспираль коллагена (спирализация 2-го порядка), которая принципиально отличается от ? спирали. Это очень слабо закрученная (один оборот на 10 000 нм) правая спираль;
д) между спиралями 1-го порядка за счёт пептидных групп образуются водородные связи.
Такое строение обеспечивает прочность коллагеновых волокон.

Денатурация и ренатурация белков.
Денатурация белков
Специфические биологические функции белков, например ферментов или гормонов, зависят от их конформации, нарушения которой могут привести к потере биологической активности. В связи с этим, о белке, обладающем нормальной конформацией, говорят, что он находится в нативном (естественном) состоянии.
Нативный белок это белок, который обладает конформацией (пространственной структурой), обусловливающей специфическую биологическую функцию молекулы.
Довольно мягкие изменения физических условий, в том числе изменения pH, температуры или обработка водными растворами некоторых органических веществ (детергентов, этанола или мочевины), могут нарушить эту конформацию. В белках, подвергнутых таким воздействиям, происходит денатурация.
Денатурация белков — это разрушение четвертичной, третичной и частично вторичной структур путём разрыва слабых нековалентных взаимодействий, (водородных, ионных, гидрофобных) и дисульфидных связей, сопровождающихся потерей функции белка.
Следует различать денатурацию и деградацию белков. При деградации происходит фрагментация первичной структуры и образование фрагментов белковой макромолекулы, т. е. образуются биологически неактивные олигопептиды.
Примером денатурации белковой молекулы может служить тепловая денатурация белков в растворах при 50-60º, обусловленная разрывом нековалентных взаимодействий, при помощи которых образуется третичная структура.
Денатурация, осуществляемая в мягких условиях, часто оказывается обратимой, т. е. при удалении денатурирующего агента происходит восстановление (ренатурация) нативной конформации белковой молекулы. Для ряда белков восстановление может быть 100%-м, причём это касается ни только водородных и гидрофобных связей, но и дисульфидных мостиков.
При обратимой денатурации восстанавливается и биологическая активность белков.
Эти данные служат дополнительным доказательством того, что вторичная и третичная структуры белков предопределены аминокислотной последовательностью.

Третичная структура белков и природа сил, стабилизирующих её. Инсулини рибонуклеаза А.
Третичная структура белков – это трёхмерная структура полипептидной цепи, которая определяется первичной и вторичной структурой и характеризуется наличием биологической активности.
Это объясняется тем, что в результате взаимодействий аминокислотных остатков полипептидной цепи уменьшается свободное вращение связей полипептидного остова.
Ограничение подвижности и тем самым формирование и поддержание третичной структуры возникает также за счёт общего вклада слабых нековалентных взаимодействий
Гормон инсулин состоит из двух пептидных цепей — короткой (21 аминокислотный остаток) и длинной (30 аминокислотных остатка).
три S–S-мостика играют ключевую роль в организации третичной структуры:
— один из них взаимно ориентирует две ?-спирали короткой последовательности;
— два других скрепляют короткую и длинную цепи;
— третичная последовательность буквально пронизана водородными связями;
— третичная структура инсулина состоит в основном из ?-спиралей.
Третичная структура белковой молекулы возникает самопроизвольно. Движущей силой, свёртывающей полипетидную цепь белка в строгое трёхмерное образование, является взаимодействие аминокислотных радикалов с молекулами воды.
При этом гидрофобные радикалы втягиваются внутрь белковой молекулы, образуя там гидрофобную зону (гидрофобный карман), а гидрофильные радикалы ориентируются в сторону растворителя – воды.

Дополнительные материалы:

22 Аминокислоты, пептидная связь, первичная и вторичная структуры белка; кератин


Похожие статьи: