Четвертичная структура (или субъединичная, доменная) - взаимное расположение нескольких полипептидных цепей в составе единого белкового комплекса. Белковые молекулы, входящие в состав белка с четвертичной структурой, образуются на рибосомах по отдельности и лишь после окончания синтеза образуют общую надмолекулярную структуру. В состав белка с четвертичной структурой могут входить как идентичные, так и различающиеся полипептидные цепочки. В стабилизации четвертичной структуры принимают участие те же типы взаимодействий, что и в стабилизации третичной. Надмолекулярные белковые комплексы могут состоять из десятков молекул.
Функция эффективности для сравнения каталитической компетентности. Совместный исследовательский проект «Каталитические механизмы в флавоферментах: ключ к биотехнологическому или терапевтическому использованию».
Так же как и другие биологические макромолекулы (полисахариды, липиды) и нуклеиновые кислоты, белки - необходимые компоненты всех живых организмов, они участвуют в большинстве жизненных процессов клетки. Белки осуществляют обмен веществ и энергетические превращения. Белки входят в состав клеточных структур - органелл, секретируются во внеклеточное пространство для обмена сигналами между клетками, гидролиза пищи и образования межклеточного вещества.
Ядерный магнитный резонанс позволяет изучать с атомным разрешением динамику белков и наблюдать молекулярные явления, происходящие в нескольких масштабах времени. Понимание динамических явлений в белках представляет интерес для развития лекарств. К структурной биологии, одной из наиболее динамичных биологических ветвей современной биологии, посвящена изучению клеточных процессов на молекулярном уровне. Основой исследования являются макромолекулы, прежде всего белки. Большая часть изящной точности, с которой работают белки и ферменты, связана с их пластичностью.
Следует отметить, что классификация белков по их функции достаточно условна, потому что у эукариот один и тот же белок может выполнять несколько функций. Хорошо изученным примером такой многофункциональности служит лизил-тРНК-синтетаза - фермент из класса аминоацил-тРНК синтетаз, который не только присоединяет лизин к тРНК, но и регулирует транскрипцию нескольких генов . Многие функции белки выполняют благодаря своей ферментативной активности. Так, ферментами являются двигательный белок миозин, регуляторные белки протеинкиназы, транспортный белок натрий-калиевая аденозинтрифосфатаза и др.
Однако изучение движения белка представляет собой замечательную проблему. Их отношение к биологической функции часто маскируется другими факторами. Ядерный магнитный резонанс идеально подходит для анализа подвижности биомолекул; применяется к «наблюдению» молекулярных явлений, которые происходят в несколько масштабов времени.
Складывание и переориентация Белки представляют собой биополимеры, состоящие из конкатенации аминокислот. Из 20 аминокислот множественные комбинации образуются через амидные связи. Все живые существа содержат белки; жизнедеятельность организма зависит от их функционирования и их адекватной интеграции в клеточную среду. Белки представляют собой ферменты, которые катализируют химические реакции в организме, рецепторы, которые специфически обнаруживают определенные метаболиты или патогены, и трансмембранные каналы, которые регулируют градиенты концентрации ионов и других веществ с обеих сторон клеточной стенки.
Наиболее хорошо известная роль белков в организме - катализ различных химических реакций. Ферменты - группа белков, обладающая специфическими каталитическими свойствами, то есть каждый фермент катализирует одну или несколько сходных реакций. Ферменты катализируют реакции расщепления сложных молекул (катаболизм) и их синтеза (анаболизм), а также репликации и репарации ДНК и матричного синтеза РНК. Известно несколько тысяч ферментов; среди них такие как, например, пепсин расщепляют белки в процессе пищеварения. В процесс посттрансляционной модификации некоторые ферменты добавляют или удаляют химические группы на других белках. Известно около 4000 реакций, катализируемых белками . Ускорение реакции в результате ферментативного катализа иногда огромно: например, реакция, катализируемая ферментом оротат-карбоксилазой, протекает в 10 17 раз быстрее некатализируемой (78 миллионов лет без фермента, 18 миллисекунд с участием фермента) . Молекулы, которые присоединяются к ферменту и изменяются в результате реакции, называютсясубстратами.
Структурные функции в клетках и тканях. Они отвечают за регуляцию метаболических процессов и передачу сигналов в организме. Почему разнообразие и точность, с которыми эти биополимеры выполняют свои функции? С одной стороны, каждая из 20 составляющих аминокислот обладает уникальными физико-химическими характеристиками, которые соответствуют каждому белку определенной реакционной способностью. Аминокислотная последовательность определяет свойства белка. Белки спонтанно принимают трехмерную конформацию, задачей которой является ориентация аминокислот функционального интереса в пространстве.
Хотя ферменты обычно состоят из сотен аминокислот, только небольшая часть из них взаимодействует с субстратом, и ещё меньшее количество - в среднем 3-4 аминокислоты, часто расположенные далеко друг от друга в первичной аминокислотной последовательности - напрямую участвуют в катализе . Часть фермента, которая присоединяет субстрат и содержит каталитические аминокислоты, называетсяактивным центром фермента.
Для осуществления такого диапазона функций белки требуют замечательной конформационной гибкости. Полвека назад, после первых определений трехмерных структур белков, рентгеновской кристаллографией, была разработана возможность явлений конформационной динамики.
Ароматические остатки гидрофобного ядра глобулярного белка. Теперь мы знаем, что динамические явления в белках проявляются на разных уровнях. Давайте сосредоточимся на балансе между нативной формой и денатурированной формой. Хотя нативная форма более устойчива, чем денатурированная, она является предельной стабильностью, поскольку она эквивалентна энергии нескольких водородных связей. Обе формы постоянно становятся едиными. Нативная конформация должна существовать только в течение времени, необходимого для выполнения ее функции; то он денатурируется через механизм регулирования и обновления клеточного материала.
"Жизнь, есть способ существования белковых тел"
Ф. Энгельс.
Ни один из известных нам живых организмов не обходится без белков. Белки служат питательными веществами, они регулируют обмен веществ, исполняя роль ферментов – катализаторов обмена веществ, способствуют переносу кислорода по всему организму и его поглощению, играют важную роль в функционировании нервной системы, являются механической основой мышечного сокращения, участвуют в передаче генетической информации и т.д.
Преобразование между нативной и денатурированной формами происходит во временных масштабах, которые идут от миллисекунды ко второму. Информация, необходимая для этого преобразования. Показано суперпозиция двух молекулярных конформаций: открытая и закрытая. В отсутствие субстрата белок взаимодействует с нашей иммунной системой таким образом, что это нарушает его. Когда подложка прикреплена к активному центру, структура закрывается, что предотвращает патогенное действие.
Вникать в движение этой молекулы имеет первостепенное значение для развития лекарств против этой болезни. Каждый из них имеет характерный временной масштаб. Частичное или полное перемещение Ферментативная кинетика. Ротационная диффузия Переориентация вращения.
Белки (полипептиды) – биополимеры, построенные из остатков α-аминокислот, соединенных пептидными (амидными) связями. В состав этих биополимеров входят мономеры 20 типов. Такими мономерами являются аминокислоты. Каждый белок по своему химическому строению является полипептидом. Некоторые белки состоят из нескольких полипептидных цепей. В составе большинства белков находится в среднем 300-500 остатков аминокислот. Известно несколько очень коротких природных белков, длиной в 3-8 аминокислот, и очень длинных биополимеров, длиной более чем в 1500 аминокислот. Образование белковой макромолекулы можно представить как реакцию поликонденсации α-аминокислот:
Переориентация дисульфидных мостиков Ароматическое кольцо. Он обычно является исключительной функцией аминокислотной последовательности белка. Эти временные шкалы необычайно малы, если сравнить их с временем, в течение которого полипептид должен будет проверить все возможные конформации, что известно как парадокс Левинталя. Из чего вытекает, что в процессе складывания должна быть какая-то направленность. Наиболее приемлемой складной моделью является «белковая складчатая воронка». В соответствии с этим промежуточные стадии постепенно ограничивают доступное конформационное пространство и, таким образом, направляют сгибание к нативной конформации.
Аминокислоты соединяются друг с другом за счёт образования новой связи между атомами углерода и азота – пептидной (амидной):
Из двух аминокислот (АК) можно получить дипептид, из трёх – трипептид, из большего числа АК получают полипептиды (белки).
Функции белков
Функции белков в природе универсальны. Белки входят в состав мозга, внутренних органов, костей, кожи, волосяного покрова и т.д. Основным источником α - аминокислот для живого организма служат пищевые белки, которые в результате ферментативного гидролиза в желудочно-кишечном тракте дают α - аминокислоты. Многие α - аминокислоты синтезируются в организме, а некоторые необходимые для синтеза белков α - аминокислоты не синтезируются в организме и должны поступать извне. Такие аминокислоты называются незаменимыми. К ним относятся валин, лейцин, треонин, метионин, триптофан и др. (см. таблицу). При некоторых заболеваниях человека перечень незаменимых аминокислот расширяется.
Изучение динамики сгибания белка занимает большую часть текущей работы по структурной биологии. Нативная структура не является жесткой, но она претерпевает конформационные изменения, полностью или в отдельных сегментах. Хотя это обратимые перегруппировки и не продуцируют денатурацию белка, они представляют наибольший биологический интерес.
Другими словами, взаимодействие с органической молекулой может вызывать конформационные изменения в белке, которые облегчают создание комплекса и увеличивают специфичность. Механизм действия ферментов является хорошим примером сегментарной подвижности: перегруппировка атомов в белке облегчает адаптацию между последним и субстратом. Для объяснения явления используется несколько причин. Говорят, например, о степенях свободы, которые позволили бы ферменту принять конформации, находящиеся в координате реакции, и уменьшить энергию активации процесса.
· Каталитическая функция - осуществляется с помощью специфических белков - катализаторов (ферментов). При их участии увеличивается скорость различных реакций обмена веществ и энергии в организме.
Ферменты катализируют реакции расщепления сложных молекул (катаболизм) и их синтеза (анаболизм), а также репликации ДНК и матричного синтеза РНК. Известно несколько тысяч ферментов. Среди них такие, как, например пепсин, расщепляют белки в процессе пищеварения.
Другой возможный механизм основан на связи с подложкой, которая инициирует переориентацию и вызывает ферментативную реакцию. Кроме того, при температурах выше абсолютного нуля все молекулы подвергаются связующим движениям и вибрациям, происходящим в очень короткие периоды времени. Мы говорим о «тепловом движении».
Деликатный баланс между энтальпическими и энтропийными компонентами объясняет, что тепловое движение для разных остатков не является независимым. В дигидрофолаторной редуктазе и циклофиле А, например, было продемонстрировано согласованное тепловое движение группы остатков. Как мы увидим позже, в филинном цикле А это «дыхательное» движение в конечном счете отвечает за каталитическую активность фермента.
· Транспортная функция - связывание и доставка (транспорт) различных веществ от одного органа к другому.
Так, белок эритроцитов крови гемоглобин соединяется в легких с кислородом, превращаясь в оксигемоглобин. Достигая с током крови органов и тканей, оксигемоглобин расщепляется и отдает кислород, необходимый для обеспечения окислительных процессов в тканях.
В случае белков наиболее изученными этим спектроскопическим методом ядрами являются протон, углерод и азот. Затем получается серия сигналов, соответствующих протонам молекулы. Различия между сигналами связаны с различиями между химическими средами, окружающими ядра в молекуле. Окружающая среда отличается даже среди ядер, которые стремятся к тому же типу.
Химических связей, с которыми сигнал обеспечивает структурную информацию, имеющую большую ценность. или. Дисперсии в плоскости достаточно для решения большинства сигналов. Этот параметр зависит от химической среды, окружающей исследуемое ядро, т.е. состава и конформации биомолекулы.
· Защитная функция - связывание и обезвреживание веществ, поступающих в организм или появляющихся в результате жизнедеятельности бактерий и вирусов.
Защитную функцию выполняют специфические белки (антитела - иммуноглобулины), образующиеся в организме (физическая, химическая и иммунная защита). Так, например, защитную функцию выполняет белок плазмы крови фибриноген, участвуя в свертывании крови и тем самым уменьшая кровопотери.
Одномерный спектр легче всего записывать и анализировать. Его главный недостаток заключается в том, что перекрывающиеся полосы подобных атомов часто усложняют интерпретацию сигнала. Двумерный спектр решает проблему перекрытия. Трехмерный спектр добавляет техническую сложность и интерпретацию сигнала, но позволяет одновременно исследовать взаимодействие между тремя связанными ядрами.
Которые позволяют назначать сигналы относительно положения ядер в белке. Особый биологический интерес представляют процессы, связанные с обменом между двумя конформациями молекулы на микросекундном миллисекундном масштабе. Для его характеристики важно собрать структурную информацию из обеих конформаций, а также описать термодинамику и кинетику химических изменений. Она дает представление об общем числе конверсий в единицу времени. Поскольку резонансная частота каждого ядра зависит от его химической среды, мы ожидаем два сигнала, разделенных разностью частот Δν.
· Сократительная функция (актин, миозин) – в результате взаимодействия белков происходит передвижение в пространстве, сокращение и расслабление сердца, движение других внутренних органов.
· Структурная функция - белки составляют основу строения клетки. Некоторые из них (коллаген соединительной ткани, кератин волос, ногтей и кожи, эластин сосудистой стенки, кератин шерсти, фиброин шелка и др.) выполняют почти исключительно структурную функцию.
Наличие дополнительных сигналов в спектре, таким образом, свидетельствует о конформационном химическом обмене. Характерный частотный анализ каждого сигнала обеспечивает структурную информацию обеих конформаций. Поскольку полный интеграл должен сохранять. Показаны сверхпроводящие магниты и диспетчерская.
Интенсивность каждого сигнала будет уменьшаться в зависимости от относительных населенностей каждого конформера в равновесии. Процессы конформационного обмена обычно соответствуют переходам между фундаментальным состоянием и малонаселенным возбужденным состоянием. В таких случаях сигнал возбужденного состояния едва обнаруживается; спектр не отличается от спектра, который соответствовал бы системе без конформационного обмена, что составляет ограничение метода. Преобразование С1 в С2 связано с обменом частот, что приводит к разрушительной помехе, приводящей к ослаблению или расширению сигнала.
В комплексе с липидами белки участвуют в построении мембран клеток и внутриклеточных образований.
· Гормональная (регуляторная) функция - способность передавать сигналы между тканями, клетками или организмами.
Выполняют белки-регуляторы обмена веществ. Они относятся к гормонам, которые образуются в железах внутренней секреции, некоторых органах и тканях организма.
Чем дольше время сосуществования между двумя частотами, тем больше вероятность взаимной конверсии и шире полученный сигнал. Представление временной эволюции полос пропускания дает кривые рассеяния. Математическая корректировка кривых рассеяния дает описание конформационного равновесия. С одной стороны, скорость процесса получается; этот параметр непосредственно связан с энергетическим барьером, который разделяет два состояния: субстрат и продукт в одном ферменте, или основное состояние, и возбужденное в случае другого белка.
С другой стороны, определяются химические сдвиги обеих конформаций, которые содержат ценную структурную информацию. Также получены относительные населенности двух состояний; из анализа. Единичный сигнал, вычисленные населенности обоих конформеров, даже в случае, когда сигнал одного из них очень мал. Конформации были обнаружены с популяциями с небольшим 0, 5%. Палмера в Колумбийском университете. С тех пор этот метод был усовершенствован.
· Питательная функция - осуществляется резервными белками, которые запасаются в качестве источника энергии и вещества.
Например: казеин, яичный альбумин, белки яйца обеспечивают рост и развитие плода, а белки молока служат источником питания для новорожденного.
Разнообразные функции белков определяются α-аминокислотным составом и строением их высокоорганизованных макромолекул.
Физические свойства белков
Белки – очень длинные молекулы, которые состоят из звеньев аминокислот, сцепленных пептидными связями. Это – природные полимеры, молекулярная масса белков колеблется от нескольких тысяч до нескольких десятков миллионов. Например, альбумин молока имеет молекулярную массу 17400, фибриноген крови – 400.000, белки вирусов – 50.000.000. Каждый пептид и белок обладают строго определенным составом и последовательностью аминокислотных остатков в цепи, это и определяет их уникальную биологическую специфичность. Количество белков характеризует степень сложности организма (кишечная палочка – 3000, а в человеческом организме более 5 млн. белков).
Первый белок, с которым мы знакомимся в своей жизни, это белок куриного яйца альбумин - хорошо растворим в воде, при нагревании свертывается (когда мы жарим яичницу), а при долгом хранении в тепле разрушается, яйцо протухает. Но белок спрятан не только под яичной скорлупой. Волосы, ногти, когти, шерсть, перья, копыта, наружный слой кожи - все они почти целиком состоят из другого белка, кератина. Кератин не растворяется в воде, не свертывается, не разрушается в земле: рога древних животных сохраняются в ней так же хорошо, как и кости. А белок пепсин, содержащийся в желудочном соке, способен разрушать другие белки, это процесс пищеварения. Белок инрерферон применяется при лечении насморка и гриппа, т.к. убивает вызывающие эти болезни вирусы. А белок змеиного яда способен убивать человека.
Классификация белков
С точки зрения пищевой ценности белков, определяемой их аминокислотным составом и содержанием так называемых незаменимых аминокислот, белки подразделяются на полноценные и неполноценные . К полноценным белкам относятся преимущественно белки животного происхождения, кроме желатины, относящейся к неполноценным белкам. Неполноценные белки - преимущественно растительного происхождения. Однако некоторые растения (картофель, бобовые и др.) содержат полноценные белки. Из животных белков особенно большую ценность для организма представляют белки мяса, яиц, молока и др.
В состав многих белков помимо пептидных цепей входят и неаминокислотные фрагменты, по этому критерию белки делят на две большие группы - простые и сложные белки (протеиды). Простые белки содержат только аминокислотные цепи, сложные белки содержат также неаминокислотные фрагменты (Например, гемоглобин содержит железо ).
По общему типу строения белки можно разбить на три группы:
1. Фибриллярные белки - нерастворимы в воде, образуют полимеры, их структура обычно высокорегулярна и поддерживается, в основном, взаимодействиями между разными цепями. Белки, имеющие вытянутую нитевидную структуру. Полипептидные цепи многих фибриллярных белков расположены параллельно друг другу вдоль одной оси и образуют длинные волокна (фибриллы) или слои.
Большинство фибриллярных белков не растворяются в воде. К фибриллярным белкам относят например, α-кератины (на их долю приходится почти весь сухой вес волос, белки шерсти, рогов, копыт, ногтей, чешуи, перьев), коллаген - белок сухожилий и хрящей, фиброин - белок шёлка).
2. Глобулярные белки - водорастворимы, общая форма молекулы более или менее сферическая. Среди глобулярных и фибриллярных белков выделяют подгруппы. К глобулярным белкам относятся ферменты, иммуноглобулины, некоторые гормоны белковой природы (например, инсулин) а также другие белки, выполняющие транспортные, регуляторные и вспомогательные функции.
3. Мембранные белки - имеют пересекающие клеточную мембрану домены, но части их выступают из мембраны в межклеточное окружение и цитоплазму клетки. Мембранные белки выполняют функцию рецепторов, то есть осуществляют передачу сигналов, а также обеспечивают трансмембранный транспорт различных веществ. Белки-транспортеры специфичны, каждый из них пропускает через мембрану только определённые молекулы или определённый тип сигнала.
Белки – неотъемлемая часть пищи животных и человека. Живой организм отличается от неживого в первую очередь наличием белков. Для живых организмов характерно огромное разнообразие белковых молекул и их высокая упорядоченность, что и определяет высокую организацию живого организма, а также способность двигаться, сокращаться, воспроизводиться, способность к обмену веществ и к многим физиологическим процессам.
Строение белков
Фишер Эмиль Герман, немецкий химик-органик и биохимик. В 1899 начал работы по химии белков. Используя созданный им в 1901 эфирный метод анализа аминокислот, Ф. впервые осуществил качественные и количественные определения продуктов расщепления белков, открыл валин, пролин (1901) и оксипролин (1902), экспериментально доказал, что аминокислотные остатки связываются между собой пептидной связью; в 1907 синтезировал 18-членный полипептид. Ф. показал сходство синтетических полинептидов и пептидов, полученных в результате гидролиза белков. Ф. занимался также изучением дубильных веществ. Ф. создал школу химиков-органиков. Иностранный член-корреспондент Петербургской АН (1899). Нобелевская премия (1902).
Молекула белка стремится не только к реализации своей биоактивности, но и к наиболее компактной структуре, позволяющей ей максимально реализовать свои функции.
ЦОР:
