Если Вы читаете это сообщение, то это значит, что у нас есть проблемы с загрузкой внешних ресурсов для нашего веб сайта.

If you're behind a web filter, please make sure that the domains *.kastatic.org and *.kasandbox.org are unblocked.

Основное содержание

Уровни структурной организации белков

Уровни белковой структуры: первичная, вторичная, третичная и четвертичная. Альфа-спирали и бета-листы.

Введение

Вы когда-нибудь интересовались, почему яичный белок на сковороде мутнеет и перестает быть прозрачным? Если да, то этот раздел — для вас!
В яичном белке содержится большое количество альбуминов, имеющих определённую трёхмерную структуру благодаря связям между аминокислотами. В результате нагревания эти связи разрываются, и гидрофобные (боящиеся воды) аминокислоты, которые до этого были спрятаны внутри белка, оказываются снаружи1,2. Гидрофобные аминокислоты стараются избегать молекул воды и держаться поближе друг к другу. Так образуется сеть из белков, которая как раз и делает нагретый яичный белок белым и непрозрачным. Та-да! Спасибо тебе, денатурация белка, за ещё один вкуснейший завтрак!
Как мы уже упоминали в прошлой статье о белках и аминокислотах, функции белков сильно зависят от их формы. Чтобы понять, как формируется молекула белка, необходимо разобраться в четырёх уровнях её структуры: первичной, вторичной, третичной и четвертичной.

Первичная структура

Простейший уровень структуры белков — первичная структура — представляет собой последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Например, у гормона инсулина есть две полипептидные цепи, A и B, как показано на схеме ниже (на схеме изображён коровий инсулин, хотя его структура похожа на человеческий). Каждая цепь представляет собой набор аминокислот, соединённых в определённом порядке. Например, в цепи A последовательность аминокислот начинается с глицина на N-конце и заканчивается аспарагином на C-конце. Обратите внимание, что в цепи B последовательность иная.
Изображение взято из: OpenStax Biology.
Последовательность аминокислот в белке определяется ДНК, а именно геном, кодирующим этот белок (или его часть, если он состоит из нескольких фрагментов). Изменения в последовательности ДНК могут привести к изменениям в порядке аминокислот синтезируемого белка, а изменение даже одной-единственной аминокислоты в белковой последовательности может повлиять на его структуру и функции.
Например, изменение всего одной аминокислоты может вызвать серповидоклеточную анемию, наследственное заболевание, поражающее красные кровяные клетки - эритроциты. При серповидоклеточной анемии одна из полипептидных цепей в составе гемоглобина (белка, переносящего в крови кислород) совсем немного изменена. Вместо глутаминовой кислоты, которая, как правило, стоит шестой в β-цепи гемоглобина (одной из двух белковых цепей, составляющих гемоглобин), в этом месте находится валин. Эта замена показана на схеме небольшого фрагмента β-цепи ниже.
Изображение изменено, источник OpenStax Biology.
Удивительнее всего то, что молекула гемоглобина состоит из двух α-цепей и двух β-цепей, каждая из которых образована приблизительно 150 аминокислотами, то есть во всём белке порядка 600 аминокислот. Нормальная молекула гемоглобина отличается от серповидоклеточной всего лишь на 2 аминокислоты из 600.
Человек, организм которого вырабатывает только серповидоклеточной гемоглобин, будет страдать от серповидоклеточной анемии. Дело в том, что в результате замены глутаминовой кислоты на валин молекулы гемоглобина вытягиваются в длинные волокна. Из-за них красные кровяные клетки принимают форму полумесяца или серпа. На иллюстрации ниже видны такие «серповидные» клетки среди обычных здоровых клеток, имеющих форму диска.
Источник изображения: изменённая OpenStax Biology иллюстрация Эда Утмана, гистограмма Мэтта Рассела.
Серповидные клетки застревают в капиллярах, что может вызвать серьёзные проблемы со здоровьем у людей, страдающих серповидоклеточной анемией, включая одышку, головокружение, головные боли и боли в области живота.

Вторичная структура

Следующий уровень структуры белка — вторичная структура, так называют форму, которую принимает полипептид в результате образования связей между атомами своего остова (под остовом здесь понимается сама полипептидная цепь без атомов R-групп; иными словами, вторичная структура не учитывает атомы R-групп). Самые распространённые формы вторичной структуры — это α-спираль и β-лист. Обе структуры удерживают форму благодаря водородным связям между кислородом карбонильной группы одной аминокислоты и водородом аминогруппы другой аминокислоты.
Иллюстрация, оригинал взят из: OpenStax Biology.
В α-спирали карбонил (C = O) одной аминокислоты связан водородной связью с водородом аминогруппы (N-H) аминокислоты, расположенной на четвертой ступени цепи. Например, карбонил первой аминокислоты образует водородную связь с водородом N-H пятой аминокислоты. Такая закономерность связей стягивает полипептидную цепь в спиралевидную структуру, напоминающую серпантин, где каждый виток имеет длину 3,6 аминокислоты. R-группы аминокислот при этом оказываются повёрнуты наружу от спирали и могут свободно взаимодействовать с другими атомами и молекулами3.
В β-листе несколько сегментов полипептидной цепи выстраиваются рядом друг с другом, образуя похожую на лист структуру, удерживаемую водородными связями. Эти водородные связи возникают между карбонильной и аминогруппой остова, а R-группы направлены выше и ниже плоскости листа3. Цепи β-листа могут располагаться параллельно, то есть в одном направлении (положение их N- и C-концов совпадает) или антипаралелльно, то есть в противоположных направлениях (положение N-конца одной цепочки совпадает с положением C-конца соседней).
Определённые аминокислоты чаще других встречаются в α-спиралях или β-листах. Например, аминокислоту пролин иногда называют «прерывателем спирали», поскольку её необычная R-группа (которая связывается с аминогруппой с образованием кольца) создаёт в цепи изгиб, не позволяющий продолжить спираль4. Пролин часто находится в местах изгибов – в неструктурированных участках. Тогда как такие аминокислоты, как триптофан, тирозин и фенилаланин, в R-группы которых входят крупные кольца, чаще встречаются в β-листах, возможно, потому, что структура β-листов предоставляет больше свободного места для боковых цепей4.
Во многих белках встречаются как α-спирали, так и β-листы, хотя есть белки только с одной из этих структур (либо они в принципе не способны образовывать ни одну из них).

Третичная структура

Общая трёхмерная структура полипептида называется третичной структурой. Она, как правило, обусловлена взаимодействиями между R-группами аминокислот, входящих в состав белка.
Среди взаимодействий между R-группами, формирующих третичную структуру, встречаются водородные, ионные и диполь-дипольные связи, а также дисперсионные силы, то есть фактически весь набор нековалентных связей. Например, одинаково заряженные R-группы отталкиваются друг от друга, а противоположно заряженные могут образовывать ионную связь. Аналогично, полярные R-группы могут образовывать водородные связи и вступать в другие диполь-дипольные взаимодействия. Также для третичной структуры важную роль играют гидрофобные взаимодействия, при которых аминокислоты с неполярными гидрофобными R-группами собираются вместе внутри белка, а гидрофильные аминокислоты остаются снаружи, взаимодействуя с окружающими молекулами воды.
И, наконец, есть ещё один особый вид ковалентной связи, представленной в третичной структуре, — это дисульфидная связь. Дисульфидные связи — ковалентные связи между содержащими серу боковыми цепочками цистеинов — гораздо сильнее всех остальных связей, участвующих в образовании третичной структуры. Они служат своеобразными молекулярными «булавками», которые крепко связывают между собой части полипептида.
Изображение изменено, источник OpenStax Biology.

Четвертичная структура

Многие белки состоят из одной-единственой полипептидной цепи, поэтому в них встречаются только три уровня структуры — мы их обсудили ранее. Однако некоторые белки состоят из нескольких полипептидных цепочек, также называемых субъединицами. Соединение таких субъединиц называется четвертичной структурой белка.
Мы уже встречались с примером белка, имеющего четвертичную структуру, — это гемоглобин. Как уже было упомянуто, гемоглобин отвечает за перенос кислорода в крови и состоит из четырёх субъединиц: две субъединицы альфа и две субъединицы бета. Другой пример такого белка — ДНК-полимераза, фермент, синтезирующий новые цепи ДНК и состоящий из десяти субъединиц5.
Как правило, субъединицы в четвертичной структуре связаны при помощи тех же связей, которые отвечают и за третичную структуру (в основном, это слабые взаимодействия, такие, как водородная связь и дисперсионные силы).
Изображение является изменённой иллюстрацией из курса OpenStax Biology, которая, в свою очередь, модифицирована из первоисточника National Human Genome Research Institute.

Денатурация и фолдинг белка

У каждого белка своя уникальная форма. При изменении температуры или уровня pH окружающей среды, либо при вступлении в контакт с определёнными химическими веществами, взаимодействия и связи, обеспечивающие структуру белка, могут разрушаться, в результате чего трёхмерная структура белка теряется, и он может принять начальную форму в виде длинной аминокислотной цепи. Когда белок теряет высокоуровневую структуру, сохраняя последовательность аминокислот, такой процесс называется денатурацией. Денатурированные белки, как правило, нефункциональны.
У некоторых белков денатурация может быть обратимой. Поскольку первичная структура полипептида сохраняется (последовательность аминокислот не изменяется), теоретически возможно вернуть белок в изначальный функциональный вид, если условия среды снова станут нормальными. В других же случаях денатурация необратима. Примером такой необратимой реакции может быть жареное или варёное яйцо. Белок альбумин в яйце при высокой температуре в результате денатурации становится твёрдым и непрозрачным, но если яйцо охладить, то белок уже не вернётся в жидкое прозрачное состояние.
Ученые обнаружили, что некоторые белки восстанавливают форму после денатурации, даже если в пробирку поместить всего одну молекулу белка. Если они самостоятельно могут свободно переходить от неструктурированного состояния в упакованное, значит, в их аминокислотах содержится вся информация, необходимая для фолдинга — сворачивания молекулы в структуры более высоких порядков. Однако далеко не все белки способны на фолдинг, и образование в клетках их вторичной структуры и выше — более сложный процесс. Многие белки не способны делать это самостоятельно и прибегают к помощи белков шаперонов.

Дополнительные материалы, помимо материалов Академии Хана

Хотите узнать больше о структуре и фолдинге белков? Посмотрите вот этот интерактивный материал от LabXchange.
Хотите узнать больше о воздействии температуры на фолдинг белков? Посмотрите вот этот интерактивный материал от LabXchange.
LabXchange - это бесплатная научно-образовательная онлайн-платформа, созданная на факультете искусств и наук Гарварда при поддержке Фонда Амгена.

Хотите присоединиться к обсуждению?

Пока нет ни одной записи.
Знаете английский? Нажмите здесь, чтобы увидеть обсуждение, которое происходит на английской версии сайта.