03.com.ua- свободная медицинская энциклопедия. Каждый зарегистрированый участник может редактировать статьи

Белки

Материал из 03.com.ua
Перейти к: навигация, поиск
Структура Белков - 3-х мерная структура миоглобина с выделенными α спиралями.

Белки́ (протеины) — сложные высокомолекулярные природные органические вещества, построенные из аминокислот, соединённых пептидными связями (т.е. белки - это линейные полимеры аминокислот). Последовательность аминокислот в белке определена геном и зашифрована в генетическом коде. Хотя на первый взгляд может показаться, что наличие «всего» 20 видов аминокислот ограничивает разнообразие белковых структур, на самом деле количество вариантов трудно переоценить: для цепочки всего из 5 аминокислот оно составляет уже более 3 миллионов, а цепочка из 100 аминокислот (небольшой белок) может быть представлена более чем в 10130 вариантах. Для выполнения определённой функции зачастую требуется совместное участие нескольких разных белков. Белки часто связываются, формируя стабильные комплексы. Определениe аминокислотной последовательности первого белка, инсулина, методом секвенирования белков принесло Фредерику Сэнгеру Нобелевскую премию в 1958 году. Первые трёхмерные структуры белков - гемоглобина и миоглобина - были разрешены методом дифракции рентгеновских лучей, соответственно, Максом Перутцем и Джоном Кендрю в 1958 году, за что в 1962 они получили Нобелевскую премию по химии.

Содержание

История изучения

Название «протеин» (синоним «белку») происходит от греч. πρώτα; («прота»), то есть — «главным образом важности». Белки были выделены в отдельный класс биологических молекул в XVIII веке в результатте работ французского химика Антуана Фуркруа и других учёных, в которых было отмечено свойство белков коагулировать (денатурировать) под воздействием нагревания или кислот. В то время были исследованы такие белки, как альбумин ("яичный белок"), белок из крови, фибрин и глютен из зерна пшеницы . Голландский химик Герхард Мёлдер провёл анализ состава белков и обнаружил, что практически все белки имеют одинаковую эмпирическую формулу. Термин "белок" для обозначения подобных молекул был предложен в 1838 сотрудником Мёлдера Якобом Берцелиусом. Мёлдер также определил продукты разрушения белков - аминокислоты и для одной из них (лейцина) почти точно определил молекулярную массу - 131 Дальтон. Однако центральная роль белков в организмах не была признана до 1926 года, когда американский химик Джеймс Самнер (впоследствии — лауреат Нобелевской премии) показал, что фермент уреаза была белком.

Изучению белков препятствовала сложность их выделения. Поэтому первые исследования белков проводились с использованием тех полипептидов, которые могли быть очищены в большом количестве, т.е. белках крови, куриных яиц, различных токсинах и пищеварительных/метаболических ферментах, которые можно было выделить в местах забоя скота. В конце 1950-х компания Армор Хот Дог К (Armour Hot Dog Co) смогла очистить килограмм бычьей панкреатической рибонуклеазы А, которя стала экспериментальным обьектом для многих учёных.

Идея о том, что вторичная структура белков образуется в результате образования водородных связей между аминокислотами была высказана Уильямом Астбури в 1933, но Лайнус Полинг считается первым учёным, который смог успешно предсказать вторичную структуру белков. Позднее Уолтер Каузман, опираясь на работы Кая Линдерсторма-Лэнга, внёс весомый вклад в понимание законов образования третичной структуры белков и роли в этом процессе гидрофобных взаимодействий. В 1949 Фред Сэнгер определил аминокислотную последовательность инсулина, продемонстрировав таким способом, что белки - это линейные полимеры аминокислот, а не их разветвлённые (как у некоторых сахаров) цепи, коллоиды или циклолы. Первые структуры белков, основанные на дифракции рентгеновских лучей на уровне отдельных атомов были получены в 1960-х и с помощью ЯМР в 1980-х. В 2006 Банк Данных о Белках (Protein Data Bank) содержал около 40 000 структур белков. В настоящее время криоэлектронная микроскопия больших белковых комплексов и предсказание малых белков и доменов больших белков с помощью компьютерных программ по точности приближаются к разрешению структур на атомном уровне.

Структура белка

Схематическое изображение первичной структуры белка. Как видно, различные R-группы аминокислотных остатков образуют ответвления от основной цепи, построенной из одинаковых звеньев.

Молекулы белков представляют собой линейные полимеры, состоящие из 20 основных α-L-аминокислот (которые являются мономерами) и, в некоторых случаях, из модифицированных основных аминокислот (правда модификации происходят уже после синтеза белка на рибосоме). Для обозначения аминокислот в научной литературе используются одно- или трёхбуквенные сокращения.

При образовании белка в результате взаимодействия α-аминогруппы (-NH2) одной аминокислоты с α-карбоксильной группой (-СООН) другой аминокислоты образуются пептидные связи. Концы белка называют С- и N- концом (в зависимости от того, какая из групп концевой аминокислоты свободна: -COOH или -NH2, соответственно). При синтезе белка на рибосоме, новые аминокислоты присоединяются к C-концу, поэтому название пептида или белка даётся путём перечисления аминокислотных остатков начиная с N-конца.

Белки длиной от 2 до 100 аминокислотных остатков часто называют пептидами, при большей степени полимеризации - протеинами, хотя это деление весьма условно.

Последовательность аминокислот в белке соответствует информации, содержащейся в гене данного белка. Эта информация представлена в виде поcледовательности нуклеотидов, причем одной аминокислоте соответсвует одна или несколько последовательностей из трех нуклеотидов - так называемых триплетов или кодонов. То, какая аминокислота соответствует данному кодону в мРНК определяется генетическим кодом, который может несколько отличаться у разных организмов.

Гомологичные белки (выполняющие одну функцию и предположительно имеющие общее эволюционное происхождение, например, гемоглобины) разных организмов имеют во многих местах цепи различные аминокислотные остатки, называемые вариабельными, в противоположность консервативным, общим остаткам. По степени гомологии возможна оценки эволюционного расстояния между таксонами.

Простые и сложные белки

{{#if:Сложные белки|Основные статьи|Основная статья}}: Простые белки{{#if:Сложные белки
 |{{#if:|, |, }}Сложные белки }}{{#if:
 |{{#if:|, |, }}[[{{{3}}}|{{{3}}}]] }}{{#if:
 |{{#if:|, |, }}[[{{{4}}}|{{{4}}}]] }}{{#if:
| , [[{{{5}}}|{{{5}}}]]}}{{#if: | (слишком много параметров для {{main}})}}

Выделяют простые и сложные белки. Простые белки содержат только аминокислоты, связанные в цепочку. Сложные белки имеют также неаминокислотные группы. Эти дополнительные группы в составе сложных белков называются «простетическими группами». Многие белки эукариот, например, имеют полисахаридные цепи, которые помогают белку принимать нужную конформацию и придают дополнительную стабильность. Дисульфидные мостики также играют роль как элементы необходимые при принятии белком правильной 3-х мерной формы, и являются главным компонентом сложных белков. Но важно заметить, что в основном только эукариоты способны на синтезирование сложных белков (протеидов), так как прокариоты не имеют достаточно компартментализации для создания дополнительных изменений, присутствующих в сложных белках, и даже если могут это делать в периплазматическом пространстве , то это случается либо редко, либо неэффективно.

Уровни структуры белка

Структура Белков - Примеры изображения трёхмерной структуры биологической единицы белка. Слева - "палочковая" модель, с изображением всех атомов и связей между ними. Цветами показаны элементы. В середине изображены структурные мотивы, α-спирали и β-листы. Справа изображена контактная поверхность белка, на основании Ван-Дер-Ваальсовых радиусов атомов. Цветами показаны особенности активности участков.

Кроме последовательности аминокислот (первичной структуры), крайне важна трехмерная структура белка, которая формируется в процессе фолдинга (от англ. folding, т.е. сворачивание). Показано, что несмотря на огромные размеры молекул, природные белки имеют лишь одну конформацию, а утратившие структуру белки теряют свои свойства.

Выделяют четыре уровня структуры белка:

  • α-спирали — плотные витки вокруг длинной оси молекулы, один виток составляют 4 аминокислотных остатка, спираль стабилизорована водородными связями между H и O пептидных групп, отстоящих друг от друга на 4 звена. Спираль может быть построена исключительно из одного типа стереоизомеров аминокислот (L или D), хотя она может быть как левозакрученной, так и правозакрученной, в белках преобладает правозакрученная. Спираль нарушают электростатические взаимодействия глутаминовой кислоты, лизина, аргинина, близкорасположенные аспарагин, серин, треонин и лейцин могут стерически мешать образованию спирали, пролин вызывает изгиб цепи и также нарушает α-спирали.
  • β-листы (складчатые слои) — несколько зигзагообразных полипептидных цепей, в которых водородные связи образуются между разными цепями, а не внутри одной, как имеет место в α-спирали. Эти цепи обычно направлены N-концами в разные стороны (антипараллельная ориентация). Для образования листов важны небольшие размеры R-групп аминокислот, преобладают обычно глицин и аланин.
  • π-спирали;
  • <math>3_{10}</math>-спирали;
  • неупорядоченные фрагменты.
Третичная структура 
— пространственное строение полипептидной цепи - взаимное расположение элементов вторичной структуры, стабилизированное взаимодействием между боковыми цепями аминокислотных остатков. В стабилизации третичной структуры принимают участие:
Четверичная структура 
— субъединичная структура белка. Взаимное расположение нескольких полипептидных цепей в составе единого белкового комплекса.

Также выделяют:

Сравнительный размер белков. Слева направо: Антитело (IgG), гемоглобин, инсулин (гормон), аденилаткиназа (фермент) and глютаминсинтетаза (фермент)

Свойства

Размер белка может измеряться в числе аминокислот или в дальтонах (молекулярная масса), чаще из-за величины молекулы производной единице - килодальтонах (кДа). Белки дрожжей, в среднем, состоят из 466 аминокислот и имеют молекулярную массу 53 кДа. Самые большие известные в настоящее время белки, титины, являются компонентом саркомеров мускулов, их молекулярная масса - 3,000 кДа и общая длина 27,000 аа <ref> {{#if:Fulton A, Isaacs W

 |{{#if:
   |[[{{{authorlink}}}|{{#if:
     
     |{{{last}}}{{#if:
       
       |, {{{first}}}
     }}
     |Fulton A, Isaacs W
   }}]]
   |{{#if:
     |{{{last}}}{{#if:
       
       |, {{{first}}}
     }}
     |Fulton A, Isaacs W
   }}
 }}

}}{{#if:Fulton A, Isaacs W

 |{{#if:
   | ; {{{coauthors}}}
 }}

}}{{#if:

 | ({{{date}}})
 |{{#if:1991
   |{{#if:
     | ({{{month}}} 1991)
     | (1991)
    }}
  }}

}}{{#if:Fulton A, Isaacs W

 | .

}}{{#if:Fulton A, Isaacs W1991

 |  

}}{{#ifeq:

| no 
| 
| {{#if: |“|"}} 
}}{{#if:
 |[{{{url}}} Titin, a huge, elastic sarcomeric protein with a probable role in morphogenesis]
 |Titin, a huge, elastic sarcomeric protein with a probable role in morphogenesis

}}{{#ifeq:

| no 
| 
| {{#if: |”|"}} 
}}{{#if:  
 |  (in {{{language}}})

}}{{#if:

 |  ({{{format}}})

}}{{#if:Bioessays

 |. Bioessays

}}{{#if:13

 | 13

}}{{#if:4

 | (4)

}}{{#if:157-61

 |: 157-61

}}{{#if:

 | . DOI:{{{doi}}}

}}{{#if:

 |. ISSN {{{issn}}}

}}{{#if:1859393

 |. PMID 1859393

}}{{#if:

 |. {{{id}}}

}}{{#if:

 |. Проверено {{{accessdate}}}{{#if:  | , [[{{{accessyear}}}]] }}

}}{{#if:

 |  Проверено {{{accessmonthday}}}, {{{accessyear}}}

}}{{#if:

 |  Проверено {{{accessdaymonth}}} {{{accessyear}}}

}}{{#if:

 |. [{{{laysummary}}} Lay summary]{{#if: | – {{{laysource}}}}}

}}{{#if:

 |  ([[{{{laydate}}}]])

}}.{{#if:

 |  “{{{quote}}}”

}}</ref>.

Белки также характеризуются изоэлектрической точкой (pI) - кислотностью среды рН, при которой молекула данного белка не несёт электрического заряда. Например, чем больше в белке гидроксильных (основных) остатков , тем выше его pI. Такой белок называется основным. Белки, связывающиеся с нуклеиновыми кислотами часто относятся к основным белкам. Примером таких белков служат гистоны.

По степени растворимости в воде белки бывают растворимыми (гидрофильные) и нерастворимыми (гидрофобные). К последним относятся большинство входящих в состав биологических мембран интегральных мембранных белков, которые взаимодействуют с гидрофобными липидами мембраны.

Необратимая денатурация белка куриного яйца под воздействием высокой температуры
.

Денатурация

{{#if:|Основные статьи|Основная статья}}: Денатурация белков{{#if:
 |{{#if:|, |, }}[[{{{2}}}|{{{2}}}]] }}{{#if:
 |{{#if:|, |, }}[[{{{3}}}|{{{3}}}]] }}{{#if:
 |{{#if:|, |, }}[[{{{4}}}|{{{4}}}]] }}{{#if:
| , [[{{{5}}}|{{{5}}}]]}}{{#if: | (слишком много параметров для {{main}})}}

Как правило, белки сохраняют структуру и следовательно физико-химические свойства, например, растворимость в условиях, таких как температура и рН, к которым приспособлен данный организм. Резкое изменение этих условий, например, нагревание или обработка белка кислотой приводит к потере четвертичной, третичной и вторичной структур белка, называемой денатурацией. Самым известный случай денатурации белка - это приготовление куриного яйца, когда под воздействием высокой температуры растворённый в воде, прозрачный белок овоальбумин становится плотным, нерастворимым и непрозрачным.

Денатурация в некоторый случаях обратима, как в случае преципитации водорастворимых белков с помощью солей аммония и используется как способ их очистки.

Синтез белков

Химический синтез

Короткие белки могут быть синтезированы химическим путём с помощью группы методов, которые используют органический синтез, например, химическое лигирование. Большинство методов химического синтеза проходят в направлении от С-конца к N-концу, в противоположность биосинтезу. Таким образом можно получить короткий иммунногенный пептид (эпитоп), необходимый для получения антител путём инъекции в животных или получения гибридом. Химический синтез позволяет вводить искусственные т.е. не встречающиеся в обычных белках аминокислоты, например, присоединять флуоресцентные пробы к боковым цепям аминокислот. Химические методы синтеза неэффективны при длине белков более 300 аминокислот, кроме того, искусственные белки могут иметь неправильную третичную структуру и у аминокислот искусственных белков отсутствуют посттрансляционные модификации.

Биосинтез белков

{{#if:|Основные статьи|Основная статья}}: Биосинтез белка{{#if:
 |{{#if:|, |, }}[[{{{2}}}|{{{2}}}]] }}{{#if:
 |{{#if:|, |, }}[[{{{3}}}|{{{3}}}]] }}{{#if:
 |{{#if:|, |, }}[[{{{4}}}|{{{4}}}]] }}{{#if:
| , [[{{{5}}}|{{{5}}}]]}}{{#if: | (слишком много параметров для {{main}})}}