α-Аминокислоты могут ковалентно связы-ваться друг с другом с помощью пептидных свя-зей . Карбоксильная группа одной аминокислоты ковалентно связывается с аминогруппой другой аминокислоты. При этом возникает R-CO-NH -R связь, называемая пептидной связью. При этом происходит отщепление мо-лекулы воды.

При помощи пептидных связей из аминокислот образуются белки и пептиды. Пептиды, содержащие до 10 аминокислот, называют олигопептиды . Час-то в названии таких молекул указывают количе-ство входящих в состав олигопептида аминокис-лот: трипептид, пентапептид, октапептид и т.д. Пептиды, содержащие более 10 аминокислот, называют «полипептиды », а полипептиды, состоя-щие из более чем 50 аминокислотных остатков, обычно называют белками. Мономеры аминокислот, входящих в состав бел-ков, называют «аминокислотные остатки». Амино-кислотный остаток, имеющий свободную амино-группу, называется N-концевым и пишется слева, а имеющий свободную C-карбоксильную груп-пу — С-концевым и пишется справа. Пептиды пи-шутся и читаются с N-конца.

Связь между α-углеродным атомом и α-аминогруппой или α-карбоксильной группой спо-собна к свободным вращениям (хотя ограниче-на размером и характером радикалов), что позволяет полипептидной цепи принимать раз-личные конфигурации.

Пептидные связи обычно расположены в транс-конфигурации, т.е. α-углеродные атомы располагаются по разные стороны от пептид-ной связи. В результате боковые радикалы ами-нокислот находятся на наиболее удалённом рас-стоянии друг от друга в пространстве. Пептидные связи очень прочны и являются ковалентными .

В организме человека вырабатывается мно-жество пептидов, участвующих в регуляции раз-личных биологических процессов и обладающих высокой физиологической активностью. Такими являются целый ряд гормонов - окситоцин (9 аминокислотных остатков), вазопрессин (9), брадикинин (9) регулирующий тонус сосудов, тиреолиберин (3), антибиотики - грамицидин, пептиды, обладающие обезболивающим дей-ствием (энкефалины (5) и эндорфины и другие опиоидные пептиды). Обезболивающий эф-фект этих пептидов в сотни раз превосходит анальгезирующий эффект морфина;

Окситоцин выделяется в кровь во время корм-ления ребёнка, вызывает сокращение миоэпителиальных клеток протоков молочных желёз и стимулирует выделение молока. Кроме того, окситоцин влияет на гладкую мускулатуру мат-ки во время родов, вызывая её сокращение.

В отличие от окситоцина, основное физио-логическое действие вазопрессина — увеличе-ние реабсорбции воды в почках при уменьше-нии АД или объёма крови (поэтому другое название этого гормона — антидиуретический). Кроме того, вазопрессин вызывает сужение сосудов .

Различают 4 уровня структурной организации белков, называемых первичной, вторичной, третичной и четвертич-ной структурами. Существуют общие правила, по которым идёт формирование про-странственных структур белков.

Первичная структура белка - это ковалентная структура остова полипептидной цепи - линейная последовательность аминокислотных остатков, соединенных друг с другом пептидными связями. Первичная структура каждого индивидуально-го белка закодирована в участке ДНК, называе-мом геном. В процессе синтеза белка информа-ция, находящаяся в гене, сначала переписывается на мРНК, а затем, используя мРНК в качестве матрицы, на рибосоме происходит сборка пер-вичной структуры белка. Каждый из 50 000 индивидуальных белков организма человека имеет уникальную для дан-ного белка первичную структуру.

Инсулин является первым белком, первичная структура которого была расшифрована. Инсулин — белковый гормон; содержит 51 аминокислоту, состоит из двух полипептидных цепей (цепь А содержит 21 аминокислоту, цепь В — 30 аминокислот). Инсулин синтезируется в β-клетках поджелудочной железы и секретируется в кровь в ответ на повышение концентра-ции глюкозы в крови. В структуре инсулина имеются 2 дисульфидные связи, соединяющие 2 полипептидные цепи А и В, и 1 дисульфидная связь внутри цепи А

Вторичная структура белков- это конформация полипептидной цепи, т.е. способ скручивания цепи в пространстве за счет водородных связей между группами -NH и -СО. Существует два основных способа укладки цепи — α-спираль и β-структура .

α -Спираль

Вданном типе структуры пептидный остов закручивается в виде спирали за счёт образова-ния водородных связей между атомами кисло-рода карбонильных групп и атомами водорода ами-ногрупп, входящих в состав пептидных групп через 4 аминокислотных остатка. Водородные связи ориентированы вдоль оси спирали. На один виток α-спирали приходится 3,6 аминокислотных остатка.

В образовании водородных связей участвуют практически все атомы кислорода и водорода пеп-тидных групп. В результате α-спираль «стягива-ется» множеством водородных связей. Несмотря на то, что данные связи относят к разряду сла-бых, их количество обеспечивает максимально возможную стабильность α-спирали. Так как все гидрофильные группы пептидного остова обыч-но участвуют в образовании водородных связей, гидрофильность (т.е. способность образовывать водородные связи с водой) α-спиралей уменьша-ется, а их гидрофобность увеличивается.

α-Спиральная структура — наиболее устой-чивая конформация пептидного остова, отве-чающая минимуму свободной энергии. В резуль-тате образования α-спиралей полипептидная цепь укорачивается, но если создать условия для разрыва водородных связей, полипептидная цепь вновь удлинится.

Радикалы аминокислот находятся на наружной стороне α -спирали и направлены от пептидного остова в стороны. Они не участвуют в образовании водородных связей, характерных для вторич-ной структуры, но некоторые из них могут нару-шать формирование α-спирали.

К ним относятся:

Пролин. Его атом азота входит в состав жёс-ткого кольца, что исключает возможность вращения вокруг -N-CH- связи. Кроме того, у атома азота пролина, образующего пептид-ную связь с другой аминокислотой, нет ато-ма водорода. В результате пролин не спосо-бен образовать водородную связь в данном месте пептидного остова, и α-спиральная структура нарушается. Обычно в этом месте пептидной цепи возникает петля или изгиб;

Участки, где последовательно расположены несколько одинаково заряженных радика-лов, между которыми возникают электро-статические силы отталкивания;

Участки с близко расположенными объём-ными радикалами, механически нарушаю-щими формирование а-спирали, например метионин, триптофан.

β -Структура

β-Структура формируется за счёт образования множества водородных связей между атомами пептидных групп линейных областей одной полипептидной цепи, делающей изгибы, или между раз-ными полипептидными цепями , β-Структура образует фигуру, подобную листу, сложенному «гармошкой», — β-складчатый слой.

Складчатый слой фиброина шелка: зигзагообразные антипараллельные складки.

Когда водородные связи образуются между атомами пептидного остова различных полипеп-тидных цепей, их называют межцепочечными связями. Водородные связи, возникающие меж-ду линейными участками внутри одной полипеп-тидной цепи, называют внутрицепочечными. В β-структурах водородные связи расположены перпендикулярно полипептидной цепи.

Третичная структура белков — трёхмерная про-странственная структура, образующаяся за счёт взаимодействий между радикалами аминокислот, которые могут располагаться на значительном расстоянии друг от друга в полипептидной цепи.

Третичная структура свернутой полипептиднойцепи стабилизируется рядом взаимодействий между радикалами аминокислот: это гидрофобные взаимодействия, электростатическое притяжение, водородные связи, а также дисульфидные -S-S- связи.

Гидрофильные радикалы аминокислот стре-мятся образовать водородные связи с водой и поэтому в основном располагаются на поверх-ности белковой молекулы.

Все гидрофильные группы радикалов амино-кислот, оказавшиеся внутри гидрофобного ядра, взаимодействуют друг с другом с помощью ион-ных и водородных связей.

Типы связей, возникающих между радикалами аминокислот при формировании третичной структуры белка. 1 — ионные связи; 2 — водородные связи; 3 — гидро-фобные связи; 4 — дисульфидные связи.

Ионные связи (электростатическое притяжение)могут возникать между от-рицательно заряженными (анионными) карбоксильными группами радикалов аспарагиновой и глутаминовой кислот и по-ложительно заряженными (катионными) группами радикалов лизина, аргинина или гистидина.

Водородные связи возникают между гидро-фильными незаряженными группами (таки-ми как -ОН, -CONH 2 , SH-группы) и любы-ми другими гидрофильными группами. Третичную структуру некоторых белков ста-билизируют дисульфидные связи, образующие-ся за счёт взаимодействия SH-групп двух остатков цистеина. Эти два остатка цистеина могут находиться далеко друг от друга в линейной первичной структуре белка, но при формиро-вании третичной структуры они сближаются и образуют прочное ковалентное связывание ра-дикалов.

Большинство внутриклеточных белков лише-но дисульфидных связей. Однако такие связи распространены в белках, секретируемых клет-кой во внеклеточное пространство. Полагают, что эти ковалентные связи стабилизируют кон-формацию белков вне клетки и предотвращают их денатурацию. К таким белкам относят гор-мон инсулин и иммуноглобулины.

Четвертичная структура белков. Многие белки содержат в своём составе толь-ко одну полипептидную цепь. Такие белки на-зывают мономерами. К мономерным относят и белки, состоящие из нескольких цепей, но соединённых ковалентно, например дисульфидными связями (поэтому инсулин следует рассматривать как мономерный белок).

В то же время существуют белки, состоя-щие из двух и более полипептидных цепей. После формирования трёхмерной структуры каждой полипептидной цепи они объединя-ются с помощью тех же слабых взаимодей-ствий, которые участвовали в образовании третичной структуры: гидрофобных, ионных, водородных.

Способ упаковки двух или более отдельных глобулярных белков в молекуле является четвертичной структурой белка.

Отдельные поли-пептидные цепи в таком белке носят название мономеров, или субъединиц. Белок, содержа-щий в своём составе несколько мономеров, называют олигомерным. Олигомерные глобулярные белки обычно имеют крупные размеры и часто выполняют в ферментативных комплексах регуляторные функции.

Поддержание характерной для белка конформации возможно благодаря возникновению множества слабых связей между различными участками полипептидной цепи. Конформация белка может меняться при изменении химических и физических свойств среды, а также при взаи-модействии белка с другими молекулами. При этом происходит изменение пространственной структуры не только участка, контактирующего с другой молекулой, но и конформации белка в целом.

Конформационные изменения играют огромную роль в функционировании белков в живой клетке. Разрыв большого количества слабых связей в молекуле белка под воздействием органических растворителей, ультразвука, температуры, pH ,и т.д. приводит к разрушению её нативной конформации. Развертывание цепей без разрушения их ковалентных связей называется денатурацией . Такой белок биологически неактивен . При денатурации белков не происходит разрыва пептидных связей, т.е. первичная структура белка не нарушается, однако его функция утрачивается.

Cодержание:

Польза аминокислот при силовых тренировках. Четыре группы, отражающие формирование структуры молекулы белка.

Белок представляет собой полимерную молекулу, в которой есть группа мономеров (то есть мелких элементов) — аминокислот. От того, какие аминокислоты формируют состав белка, а также от их чередования, зависят свойства и действие последнего. Всего в организме человека можно найти двадцать аминокислот, которые в различных сочетаниях встречаются в различном по своей конструкции белке. Условно все компоненты белковой молекулы можно рассматривать в качестве букв алфавита, на которых зафиксирован определенный объем информации. Только слово может свидетельствовать о каком-либо предмете или действии, а набор аминокислот – о функции конкретного белка, его возможностях и эффективности работы.

О пользе

Об особенностях и преимуществах столь полезных элементов написано сотни статей и книг. Почему бы и нет, ведь они действительно формируют наш организм, являются составляющими элементами белка и помогают развиваться во всех отношениях. К основным свойствам можно отнести:

• ускорение синтеза белка. Наличие в организме полного комплекса аминокислот способствует стимуляции выработки инсулина и активации mTor. Вместе эти механизмы способствуют запуску роста мышечной массы;
• источник энергии. Такие компоненты проходят по другому пути метаболизма и по своей функции отличаются от углеводов. В итоге организм получает большие объемы энергии и заполняется аминокислотным пулом. Итог – мышцы растут намного быстрее;
• подавление катаболических процессов. С их помощью можно навсегда забыть, что такое разрушение собственных мышц, ведь в организме всегда будет материал для построения новых белковых молекул;
• снижение жира. Полезная функция – помощь в образовании лептина, который способствует максимально быстрому сжиганию жировых отложений. Все это позволяет добиться максимального эффекта.

К полезным действиям аминокислотных групп можно также отнести участие в обмене азота в организме, восстановление поврежденных тканевых участков, обеспечение метаболических процессов, полноценное восстановление мышц, снижение уровня сахара в крови. Кроме этого, к полезным действиям можно отнести стимуляцию гормона роста, повышение выносливости, обеспечение организма необходимым объемом энергии, нормализацию обменных процессов, стимуляцию иммунной системы, нормализацию пищеварительного процесса, защиту от радиации и так далее.

Структура

Химики выделяют четыре основные группы, которые отображают суть структурного формирования молекулы столь необходимого и важного для человеческого организма компонента. Таких группы всего четыре и у каждой из них есть свои особенности формирования – первичная, вторичная, третичная и четвертичная. Рассмотрим эти нюансы более подробно.

Пептидная связь – это связь между альфа-карбоксильной группой одной аминокислоты и альфа-аминогруппой другой аминокислоты.

Рис 5. Образование пептидной связи

К свойствам пептидной связи относятся:

1. Трансположение заместителей (радикалов) аминокислот по отношению к C-N связи. Рис 6.

Рис 6. Радикалы аминокислот находятся в транс-положении.

2. Копланарность

Все атомы, входящие в пептидную группу находятся в одной плоскости, при этом атомы "Н" и "О" расположены по разные стороны от пептидной связи. Рис 7, а.

3. Наличие кето формы и енол ьной формы. Рис 7, б

Рис 7. а) б)

4. Способность к образованию двух водородных связей с другими пептидными группами. Рис 8.

5. Пептидная связь имеет частично характер двойной связи. Ее длина меньше, чем одинарной связи, она является жесткой структурой, и вращение вокруг нее затруднено.

Но так как, кроме пептидной, в белке есть и другие связи, цепочка аминокислот способна вращаться вокруг основной оси, что придает белкам различную конформацию(пространственное расположение атомов).

Последовательность аминокислот в составе полипептидной цепи представляет первичную структуру белка. Она уникальна для любого белка и определяет его форму, а также различные свойства и функции.
Большинство белков имеют вид спирали в результате образования водородных связей между-CO- и -NH- группами разных аминокислотных остатков полипептидной цепи. Водородные связи непрочные, но в комплексе они обеспечивают довольно прочную структуру. Эта спираль - вторичная структура белка.

Третичная структура - трехмерная пространственная «упаковка» полипептидной цепи. В результате возникает причудливая, но для каждого белка специфическая конфигурация -глобула . Прочность третичной структуры обеспечивается разнообразными связями, возникающими между радикалами аминокислот.

Четвертичная структура характерна не для всех белков. Она возникает в результате соединения нескольких макромолекул с третичной структурой в сложный комплекс. Например, гемоглобин крови человека представляет комплекс из четырех макромолекул белка, в данном случае основной вклад во взаимодействие субъединиц вносят гидрофобные взаимодействия.
Такая сложность структуры белковых молекул связана с разнообразием функций, которые свойственны этим биополимерам, например, защитная, структурная и т.д.
Нарушение природной структуры белка называют денатурацией . Она может происходить под воздействием температуры, химических веществ, лучистой энергии и других факторов. При слабом воздействии распадается только четвертичная структура, при более сильном - третичная, а затем - вторичная, и белок остается в виде полипептидной цепи, то есть в виде первичной структуры.
Этот процесс частично обратим: если не нарушена первичная структура, то денатурированный белок способен восстанавливать свою структуру. Отсюда следует, что все особенность строение макромолекулы белка определяются его первичной структурой.

Пептидная связь по своей химической природе является ковалентной и придает высокую прочность первичной структуре белковой молекулы. Являясь повторяющимся элементом полипептидной цепи и имея специфические особенности структуры, пептидная связь влияет не только на форму первичной структуры, но и на высшие уровни организации полипептидной цепи.

Большой вклад в изучение строения белковой молекулы внесли Л.Полинг и Р.Кори. Обратив внимание на то, что в молекуле белка больше всего пептидных связей, они первыми провели кропотливые рентгеноструктурные исследования этой связи. Изучили длины связей, углы под которыми располагаются атомы, направление расположения атомов относительно связи. На основании исследований были установлены следующие основные характеристики пептидной связи.

1. Четыре атома пептидной связи (С,О,N,Н) и два присоединенных
a-углеродных атома лежат в одной плоскости. Группы R и Н a-углеродных атомов лежат вне этой плоскости.

2. Атомы О и Н пептидной связи и два a-углеродных атома, а также R-группы имеют транс-ориентацию относительно пептидной связи.

3. Длина связи С–N, равная 1,32 Å, имеет промежуточное значение между длиной двойной ковалентной связи (1,21 Å) и одинарной ковалентной связи (1,47 Å). Отсюда следует, что связь С–N имеет частично ненасыщенный характер. Это создает предпосылки для осуществления по месту двойной связи таутомерных перегруппировок с образованием енольной формы,т.е. пептидная связь может существовать в кето-енольной форме.

Вращение вокруг связи –С=N– затруднено и все атомы, входящие в пептидную группу, имеют планарную транс-конфигурацию. Цис-конфигурация является энергетически менее выгодной и встречается лишь в некоторых циклических пептидах. Каждый планарный пептидный фрагмент содержит две связи с a-углеродными атомами, способными к вращению.

Между первичной структурой белка и его функцией у данного организма существует самая тесная связь. Для того, чтобы белок выполнял свойственную ему функцию, необходима совершенно определенная последовательность аминокислот в полипептидной цепи этого белка. Эта определенная последовательность аминокислот, качественный и количественный состав закреплен генетически (ДНК→РНК→белок). Каждый белок характеризуется определенной последовательностью аминокислот, замена хотя бы одной аминокислоты в белке приводит не только к структурным перестройкам, но и к изменениям физико-химических свойств и биологических функций. Имеющаяся первичная структура предопределяет последующие (вторичную, третичную, четвертичную) структуры. Например, в эритроцитах здоровых людей содержится белок– гемоглобин с определенной последовательностью аминокислот. Небольшая часть людей имеет врожденную аномалию структуры гемоглобина: их эритроциты содержат гемоглобин, у которого в одном положении вместо глутаминовой кислоты (заряженной, полярной) содержится аминокислота валин (гидрофобная, неполярная). Такой гемоглобин существенно отличается по физико-химическим и биологическим свойствам от нормального. Появление гидрофобной аминокислоты, приводит к возникновению «липкого» гидрофобного контакта (эритроциты плохо передвигаются в кровеносных сосудах), к изменению формы эритроцита (из двояковогнутого в серповидный), а также к ухудшению переноса кислорода и т.д. Дети, родившееся с этой аномалией, в раннем детстве погибают от серповидноклеточной анемии.

Исчерпывающие доказательства в пользу утверждения, что биологическая активность определяется аминокислотной последовательностью, были получены, после искусственного синтеза фермента рибонуклеазы (Меррифилд). Синтезированный полипептид с той же аминокислотной последовательностью, что и естественный фермент, обладал такой же ферментативной активностью.

Исследования последних десятилетий показали, что первичная структура закреплена генетически, т.е. последовательность аминокислот в полипептидной цепи определяется генетическим кодом ДНК, и, в свою очередь определяет вторичную, третичную и четвертичную структуры белковой молекулы и ее общую конформацию. Первым белком, у которого была установлена первичная структура, был белковый гормон инсулин (содержит 51 аминокислоту). Это было сделано в 1953 г. Фредериком Сэнгером. К настоящему времени расшифрована первичная структура более десяти тысяч белков, но это очень небольшое количество, если учесть, что в природе белков около 10 12 . В результате свободного вращения полипептидные цепи способны скручиваться (складываться) в различные структуры.

Вторичная структура. Под вторичной структурой белковой молекулы понимают способ укладки полипептидной цепи в пространстве. Вторичная структура белковой молекулы образуется в результате того или иного вида свободного вращения вокруг связей, соединяющих a-углеродные атомы в полипептидной цепи.В результате этого свободного вращения полипептидные цепи способны скручиваться(складываться) в пространстве в различные структуры.

В природных полипептидных цепях обнаружены три основных типа структуры:

- a-спираль;

- β-структура(складчатый лист);

- статистический клубок.

Наиболее вероятным типом строения глобулярных белков принято считать α-спираль Закручивание происходит по часовой стрелке (правый ход спирали), что обусловлено L-аминокислотным составом природных белков. Движущей силой в возникновении α-спирали является способность аминокислот к образованию водородных связей. R-группы аминокислот направлены наружу от центральной оси a-спирали . диполи >С=О и >N–Н соседних пептидных связей ориентированы оптимальным образом для дипольного взаимодействия, образуя вследствие этого обширную систему внутримолекулярных кооперативных водородных связей, стабилизирующих a-спираль.

Шаг спирали (один полный виток) 5,4Å включает 3,6 аминокислотных остатка.

Рисунок 2 – Структура и параметры a-спирали белка

Для каждого белка характерна определенная степень спирализации его полипептидной цепи

Спиральную структуру могут нарушить два фактора:

1) в наличие в цепи остатка пролина, циклическая структура которого вносит излом в полипептидную цепь – нет группы –NН 2 , поэтому невозможно образования внутрицепочечной водородной связи;

2) если в полипептидной цепи подряд расположено много остатков аминокислот, имеющих положительный заряд (лизин, аргинин) или отрицательный заряд (глутаминовой, аспарагиновой кислот), в этом случае сильное взаимное отталкивание одноименнозаряженных групп (–СОО – или –NН 3 +) значительно превосходит стабилизирующее влияние водородных связей в a-спирали .

Другой тип конфигурации полипептидных цепей, обнаруженный в белках волос, шелка, мышц и в других фибриллярных белках, получил название β-структуры или складчатого листа. Структура типа складчатого листа также стабилизирована водородными связями между теми же диполями –NН...... О=С<. Однако в этом случае возникает совершенно иная структура, при которой остов полипептидной цепи вытянут таким образом, что имеет зигзагообразную структуру. Складчатые участки полипептидной цепи проявляют кооперативные свойства, т.е. стремятся расположиться рядом в белковой молекуле, и формируют параллельные

одинаковонаправленные полипептидные цепи или антипараллельные,

которые укрепляются благодаря водородным связям между этими цепями. Такие структуры называются b-складчатые листы (рисунок 2).

Рисунок 3 – b-структура полипептидных цепей

a-Спираль и складчатые листы – это упорядоченные структуры, в них имеется регулярная укладка аминокислотных остатков в пространстве. Некоторые участки полипептидной цепи не имеют какой-либо правильной периодической пространственной организации, их обозначают как беспорядочный или статистический клубок.

Все эти структуры возникают самопроизвольно и автоматически вследствие того, что данный полипептид имеет определенную аминокислотную последовательность, которая предопределена генетически. a-спирали и b-структуры обуславливают определенную способность белков к выполнению специфических биологических функций. Так, a-спиральная структура (a-кератин) хорошо приспособлена к тому, чтобы образовывать наружные защитные структуры-перья, волосы, рога, копыта. b-структура способствует образованию гибких и нерастяжимых нитей шелка и паутины, а конформация белка коллагена обеспечивает высокую прочность на разрыв, необходимую для сухожилий. Наличие только a-спиралей или b-структур характерно – для нитевидных (фибрилярных белков). В составе глобулярных (шаровидных) белков содержание a-спиралей и b-структур и бесструктурных участков сильно варьируется. Например: инсулин спирализованна 60%, фермент рибонуклеаза – 57%, белок куриного яйца лизоцим – на 40%.

Третичная структура. Под третичнойструктурой понимают способ укладки полипептидной цепи в пространстве в определенном объеме.

Третичная структура белков образуется путем дополнительного складывания пептидной цепи содержащей a-спираль, b-структуры и участки беспорядочного клубка. Третичная структура белка формируется совершенно автоматически, самопроизвольно и полностью предопределяется первичной структурой и имеет непосредственное отношение к форме белковой молекулы, которая может быть различной: от шарообразной до нитевидной. Форма белковой молекулы характеризуется таким показателем, как степень асимметрии (отношение длинной оси к короткой). У фибриллярных или нитевидных белков степень асимметрии больше 80. При степени асимметрии меньше 80 белки относятся к глобулярным . Большинство из них имеет степень асимметрии 3-5, т.е. третичная структура характеризуется достаточно плотной упаковкой полипептидной цепи, приближающейся по форме к шару.

При формировании глобулярных белков неполярные гидрофобные радикалы аминокислот группируются внутри белковой молекулы, в то время как полярные радикалы ориентируются в сторону воды. В какой-то момент возникает термодинамически наиболее выгодная стабильная конформация молекулы – глобула. В такой форме белковая молекула характеризуется минимальной свободной энергией. На конформацию возникшей глобулы оказывают влияние такие факторы как рН раствора, ионная сила раствора, а также взаимодействие белковых молекул с другими веществами.

Основной движущей силой в возникновении трехмерной структуры, является взаимодействие радикалов аминокислот с молекулами воды.

Фибриллярные белки. При формировании третичной структуры не образуют глобул – их полипептидные цепи не сворачиваются, а остаются вытянутыми в виде линейных цепей, группируясь в волокна- фибриллы.

Рисунок– Строение коллагеновой фибриллы (фрагмент).

В последнее время появились доказательства, что процесс формирования третичной структуры не является автоматическим, а регулируется и контролируется специальными молекулярными механизмами. В этом процессе задействованы специфические белки – шапероны. Основными функциями их являются способность предотвращать образование из полипептидной цепи неспецифических (хаотичных) беспорядочных клубков, и обеспечение доставки (транспорта) их к субклеточным мишеням, создавая условия для завершения свертывания белковой молекулы.

Стабилизация третичной структуры обеспечивается благодаря нековалентным взаимодействиям между атомными группировками боковых радикалов.

Рисунок 4- Типы связей, стабилизирующих третичную структуру белка

а) электростатические силы притяжения между радикалами, несущими противоположно заряженные ионные группы (ион-ионные взаимодействия), например отрицательно заряженная карбоксильная группа (– СОО –) аспарагиновой кислоты и (NН 3 +) положительно заряженной e-аминогруппой остатка лизина.

б) водородные связи между функциональными группами боковых радикалов. Например, между ОН- группой тирозина и карбоксильным кислородом аспарагиновой кислоты

в) гидрофобные взаимодействия обусловлены силами Ван-дер-Ваальса между неполярными радикалами аминокислот. (Например, группами
–СН 3 – аланина, валина и т.д..

г) диполь-дипольные взаимодействия

д) дисульфидные связи (–S–S–) между остатками цистеина. Эта связь очень прочная и присутствует не во всех белках. Важную роль эта связь играет в белковых веществах зерна и муки, т.к. оказывает влияние на качество клейковины, структурно-механические свойства теста и соответственно на качество готовой продукции – хлеба и т.д.

Белковая глобула не является абсолютно жесткой структурой: в известных приделах возможны обратимые перемещения частей пептидной цепи относительно друг друга с разрывом небольшого количества слабых связей и образования новых. Молекула как бы дышит, пульсирует в разных своих частях. Эти пульсации не нарушают основного плана конформации молекулы, подобно тому, как тепловые колебания атомов в кристалле не изменяют структуру кристалла, если температура не настолько велика, что наступает плавление.

Только после приобретения белковой молекулой естественной, нативной третичной структуры он проявляет свою специфическую функциональную активность: каталитическую, гормональную, антигенную и т.д. Именно при образовании третичной структуры происходит формирование активных центров ферментов, центров ответственных за встраивание белка в мультиферментный комплекс, центров, ответственных за самосборку надмолекуляных структур. Поэтому любые воздействия (термические, физические, механические, химические), приводящие к разрушению этой нативной конформации белка (разрыв связей), сопровождается частичной или полной потерей белком его биологических свойств.

Изучение полных химических структур некоторых белков показало, что в их третичной структуре выявляются зоны, где сконцентрированы гидрофобные радикалы аминокислот, и полипептидная цепь фактически обматывается вокруг гидрофобного ядра. Более того, в ряде случаев в белковой молекуле обособляются два и даже три гидрофобных ядра, в результате возникает 2-х или 3-х ядерная структура. Такой тип строения молекулы характерен для многих белков, обладающих каталитической функцией (рибонуклеаза, лизоцим и т.д.). Обособленная часть или область молекулы белка обладающая в определенной степени структурной и функциональной автономией называется доменом. У ряда ферментов, например, обособленны субстрат-связывающие и кофермент связывающие домены.

В биологическом отношении фибриллярные белки играют очень важную роль, связанную с анатомией и физиологией животных. У позвоночных на долю этих белков приходится 1/3 от их общего содержания. Примером фибрилярных белков может служить белок шелка – фиброин, который состоит из нескольких антипараллельных цепей со структурой складчатого листа. Белок a-кератин содержит от 3-7 цепей. Коллаген имеет сложную структуру, в которой 3 одинаковые левовращающие цепи скручены вместе с образованием правовращающей тройной спирали. Эта тройная спираль стабилизирована многочисленными межмолекулярными водородными связями. Наличие таких аминокислот, как гидроксипролина и гидроксилизина также вносит вклад в образование водородных связей, стабилизирующих структуру тройной спирали. Все фибриллярные белки плохо растворимы или совсем нерастворимы в воде, так как в их составе содержится много аминокислот, содержащих гидрофобные, нерастворимые в воде R-группы изолейцин, фенилаланин, валин, аланин, метионин. После специальной обработки нерастворимый и неперевариваемый коллаген превращается в желатин-растворимую смесь полипептидов, который затем используют в пищевой промышленности.

Глобулярные белки . Выполняют разнообразные биологические функции. Они выполняют транспортную функцию, т.е. переносят питательные вещества, неорганические ионы, липиды и т.д. К этому же классу белков принадлежат гормоны, а также компоненты мембран и рибосом. Все ферменты тоже глобулярные белки.

Четвертичная структура. Белки содержащие две или большее число полипептидных цепей называют олигомерными белками , для них характерно наличие четвертичной структуры.

Рисунок – Схемы третичной (а) и четвертичной (б) структур белка

В олигомерных белках каждая из полипептидных цепей характеризуется своей первичной, вторичной и третичной структурой, и называется субъединицей или протомером Полипептидные цепи (протомеры) в таких белках могут быть либо одинаковыми либо разными. Олигомерные белки называют гомогенными, если их протомеры одинаковы и гетерогенными, если их протомеры различны. Например-белок гемоглобин состоит из 4-х цепей: двух -a и двух -b протомеров. Фермент a-амилаза состоит из 2-х одинаковых полипептидных цепей. Под четвертичной структурой понимают расположение полипептидных цепей (протомеров) относительно друг друга, т.е. способ их совместной укладки и упаковки. При этом протомеры взаимодействуют друг с другом не любой частью своей поверхности, а определенным участком (контактной поверхностью). Контактные поверхности имеют такое расположение атомных группировок, между которыми возникают водородные, ионные, гидрофобные связи. Кроме того, геометрия протомеров также способствует их соединению. Протомеры подходят друг к другу, как ключ к замку. Такие поверхности называются комплиментарными. Каждый протомер взаимодействует с другим во множестве точек, это приводит к тому, что соединение с другими полипептидными цепями или белками невозможно. Такие комплиментарные взаимодействия молекул лежат в основе всех биохимических процессов в организме.

От Masterweb

21.07.2018 17:00

Пептидная связь - это прочное соединение между фрагментами двух аминокислот, которое лежит в основе образования линейных структур белков и пептидов. В таких молекулах каждая аминокислота (за исключением концевых) соединяется с предыдущей и последующей.

В зависимости от количества звеньев пептидные связи могут создавать дипептиды (состоят из двух аминокислот), трипептиды (из трех), тетрапептиды, пентапептиды и т. д. Короткие цепочки (от 10 до 50 мономеров) называют олигопептидами, а длинные - полипептидами и белками (мол. масса более 10 тыс. Да).

Характеристика пептидной связи

Пептидная связь - это ковалентное химическое соединение между первым атомом углерода одной аминокислоты и атомом азота другой, возникающее в результате взаимодействия альфа-карбоксильной группы (COOH) с альфа-аминогруппой (NH2). При этом происходит нуклеофильное замещение OH-гидроксила на аминогруппу, от которой отделяется водород. В итоге образуется одинарная C-N связь и молекула воды.

Так как во время реакции происходит потеря некоторых компонентов (ОН-группы и атома водорода), звенья пептида называют уже не аминокислотами, а аминокислотными остатками. Из-за того, что последние содержат по 2 атома углерода, в пептидной цепи происходит чередование С-С и C-N-связей, которые формируют пептидный остов. По бокам от него располагаются аминокислотные радикалы. Расстояние между атомами углерода и азота варьирует от 0,132 до 0,127 нм, что свидетельствует о неопределенной связи.

Пептидная связь - это очень прочный вид химического взаимодействия. При стандартных биохимических условиях, соответствующих клеточной среде, она не подвергается самостоятельному разрушению.

Для пептидной связи белков и пептидов характерно свойство копланарности, поскольку все атомы, участвующие в ее образовании (C, N, O и H), располагаются в одной плоскости. Это явление объясняется жесткостью (т. е. невозможностью вращения элементов вокруг связи), возникающей в результате резонансной стабилизации. В пределах аминокислотной цепи между плоскостями пептидных групп находятся α-углеродные атомы, связанные с радикалами.

Типы конфигурации

В зависимости от положения альфа-углеродных атомов относительно пептидной связи последняя может иметь 2 конфигурации:

• "цис" (расположены с одной стороны);
• "транс" (находятся с разных сторон).

Транс-форма характеризуется большей устойчивостью. Иногда конфигурации характеризуют по расположению радикалов, что не меняет сути, поскольку они связаны с альфа-углеродными атомами.

Явление резонанса

Особенность пептидной связи заключается в том, что она на 40% двойная и может находится в трех формах:

• Кетольной (0,132 нм) - C-N-связь стабилизирована и полностью одинарна.
• Переходной или мезомерной – промежуточная форма, имеет частично неопределенный характер.
• Енольной (0,127 нм) - пептидная связь становится полностью двойной, а соединение С-О - полностью одинарным. При этом кислород приобретает частично отрицательный заряд, а атом водорода - частично положительный.

Такая особенность называется эффектом резонанса и объясняется делокализованностью ковалентной связи между атомом углерода и азота. При этом гибридные sp2-орбитали формируют электронное облако, распространяющееся на атом кислорода.

Формирование пептидной связи

Формирование пептидной связи - это типичная реакция поликонденсации, которая термодинамически невыгодна. В естественных условиях равновесие смещается в сторону свободных аминокислот, поэтому для осуществления синтеза требуется катализатор, активирующий или модифицирующий карбоксильную группу для более легкого ухода гидроксильной.

В живой клетке образование пептидной связи происходит в белоксинтезирующем центре, где в роли катализатора выступают специфические ферменты, работающие с затратой энергии макроэргических связей.

Улица Киевян, 16 0016 Армения, Ереван +374 11 233 255