История изучения структуры белка Лайнус Полинг считается первым учёным, который смог успешно предсказать вторичную структуру белков. Лайнус Полинг считается первым учёным, который смог успешно предсказать вторичную структуру белков. Лайнус Полинг Лайнус Полинг Позднее Уолтер Каузман внёс весомый вклад в понимание законов образования третичной структуры белков и роли в этом процессе гидрофобных взаимодействий. Позднее Уолтер Каузман внёс весомый вклад в понимание законов образования третичной структуры белков и роли в этом процессе гидрофобных взаимодействий.Уолтер Каузман Уолтер Каузман В 1949 году Фред Сенгер определил аминокислотную последовательность инсулина, продемонстрировав таким способом, что белки это линейные полимеры аминокислот, а не их разветвлённые (как у некоторых сахаров) цепи. В 1949 году Фред Сенгер определил аминокислотную последовательность инсулина, продемонстрировав таким способом, что белки это линейные полимеры аминокислот, а не их разветвлённые (как у некоторых сахаров) цепи.1949 году Фред Сенгеринсулина сахаров 1949 году Фред Сенгеринсулина сахаров Первые структуры белков, основанные на дифракции рентгеновских лучей на уровне отдельных атомов были получены в 1960-х годах и с помощью ЯМР в х годах. Первые структуры белков, основанные на дифракции рентгеновских лучей на уровне отдельных атомов были получены в 1960-х годах и с помощью ЯМР в х годах.дифракции атомов ЯМРдифракции атомовЯМР В 2006 году Банк данных о белках (Protein Data Bank) содержал около структур белков. В 2006 году Банк данных о белках (Protein Data Bank) содержал около структур белков.2006 году 2006 году

Современное изучение структуры белка В XXI веке исследование белков перешло на качественно новый уровень, когда исследуются не только индивидуальные белки, но и одновременное изменение количества и пост трансляционные модификации большого числа белков отдельных клеток, тканей или организмов. Эта область биохимии называется протеомикой. В XXI веке исследование белков перешло на качественно новый уровень, когда исследуются не только индивидуальные белки, но и одновременное изменение количества и пост трансляционные модификации большого числа белков отдельных клеток, тканей или организмов. Эта область биохимии называется протеомикой.клетоктканейпротеомикойклетоктканейпротеомикой С помощью методов биоинформатики стало возможно не только обработать данные рентгенно-структурного анализа, но и предсказать структуру белка, основываясь на его аминокислотной последовательности. С помощью методов биоинформатики стало возможно не только обработать данные рентгенно-структурного анализа, но и предсказать структуру белка, основываясь на его аминокислотной последовательности.биоинформатики В настоящее время электронная 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. В настоящее время электронная 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.электронная микроскопия электронная микроскопия

Первичная структура белков Молекулы белка трехмерны и имеют несколько уровней организации. Молекулы белка трехмерны и имеют несколько уровней организации. Первичная структура – порядок чередования (последовательность) аминокислот в полипептидной цепи, соединенных между собой пептидными связями. Первичная структура – порядок чередования (последовательность) аминокислот в полипептидной цепи, соединенных между собой пептидными связями. Первичная структура индивидуальна для различных белков. Первичная структура индивидуальна для различных белков.

Линейные полипептидные цепи белков за счет взаимодействия функциональных групп аминокислот приобретают определенную пространственную структуру, называемую «конформация». Линейные полипептидные цепи белков за счет взаимодействия функциональных групп аминокислот приобретают определенную пространственную структуру, называемую «конформация». Все молекулы белков, имеющих одинаковую первичную структуру имеют одинаковую конформацию. Все молекулы белков, имеющих одинаковую первичную структуру имеют одинаковую конформацию. В белках различают 2 основных типа конформации полипептидных цепей: вторичную и третичную структуры. В белках различают 2 основных типа конформации полипептидных цепей: вторичную и третичную структуры. Конформация белков

Вторичная структура Между присутствующими в полимерной цепи амино-группами HN и карбонильными группами CO возникают водородные связи в результате молекула белка приобретает определенную пространственную форму, называемую вторичной структурой.

Механизм возникновения водородных связей можно показать на примере взаимодействия двух молекул воды. В диполе воды, как известно, избыток положительных зарядов приходится на атомы водорода, а избыток отрицательных – на атомы кислорода. При достаточном сближении двух молекул воды возникает электростатическое взаимодействие между атомом кислорода одной молекулы и атомом водорода второй молекулы воды. Следствием этого является ослабление связи между атомами водорода и кислорода в каждой молекуле воды и соответственно возникновение новой, непрочной связи (отмечена пунктиром) между атомом водорода первой молекулы и атомом кислорода второй молекулы воды. Эту непрочную связь принято обозначать водородной связью. молекул воды атомы водорода атомы кислородамолекул водыатомомкислорода молекулыатомомводородамолекулыводыатомамиводорода кислородамолекулеводыатомомводорода молекулыатомомкислородамолекулыводымолекул воды атомы водорода атомы кислородамолекул водыатомомкислорода молекулыатомомводородамолекулыводыатомамиводорода кислородамолекулеводыатомомводорода молекулыатомомкислородамолекулыводы

Наиболее распространены два типа вторичной структуры белков. Первый вариант, называемый a-спиралью, реализуется с помощью водородных связей внутри одной полимерной молекулы. Водородные связи формируются между 1-й и 4-й аминокислотами. В результате стягивающего действия водородных связей молекула приобретает форму спирали – так называемая a-спираль, ее изображают в виде изогнутой спиралевидной ленты, проходящей через атомы, образующие полимерную цепь. В результате стягивающего действия водородных связей молекула приобретает форму спирали – так называемая a-спираль, ее изображают в виде изогнутой спиралевидной ленты, проходящей через атомы, образующие полимерную цепь. a-спираль представляет собой самый жесткий тип вторичной структуры, преобладает во многих белках. a-спираль представляет собой самый жесткий тип вторичной структуры, преобладает во многих белках.

Другой вариант вторичной структуры - β - структура. Образуется между атомами пептидных групп линейных областей одной полипептидной цепи (левый рис. ), делающий изгибы или между разными полипептидными цепями. В изгибах чаще всего находится пролин. Поскольку полипептидная цепь имеет направление, возможны варианты, когда направление цепей совпадает (параллельная β –структура, (справа рис. Б), либо они противоположны (антипараллельная β – структура, рис.А)

β-структура (по Березову Т.Т.) – складчатый тип, водородные связи формируют гофрированную структуру из полипептидной цепи. На схемах изображается в виде стрелки от N к С – концу. β-структура (по Березову Т.Т.) – складчатый тип, водородные связи формируют гофрированную структуру из полипептидной цепи. На схемах изображается в виде стрелки от N к С – концу.

В белках отмечают области с нерегулярной структурой белка, которые часто называют «беспорядочные клубки» Содержание разных типов вторичных структур 1. Содержат только a- спирали 1. Содержат только a- спирали (Hb и миоглобин) (Hb и миоглобин) 2. Содержат a-спирали и β - структуры. (лактатдегидрогеназа) 2. Содержат a-спирали и β - структуры. (лактатдегидрогеназа) 3. Содержат только β - структуры. 3. Содержат только β - структуры. 4. Мало регулярных вторичных структур. 4. Мало регулярных вторичных структур.

Супервторичные структуры. Специфический порядок формирования вторичных структур называют супер вторичной структурой белка. Специфический порядок формирования вторичных структур называют супер вторичной структурой белка. Различают: Различают: тип a/β – бочонка, «цинковый палец», лейциновая застежка и др. тип a/β – бочонка, «цинковый палец», лейциновая застежка и др.

Под третичной структурой белка подразумевают пространственную ориентацию полипептидной спирали или способ укладки полипептидной цепи в определенном объеме. Присуща всем глобулярным белкам. третичной структурой белка третичной структурой белка

Типы нековалентных связей, стабилизирующих третичную структуру белка. 1 – ионные связи; 2 - водородная связь; 3 - гидрофобные взаимодействия неполярных групп; 4 - дисульфидная (ковалентная) связь. третичную структуру белка гидрофобные взаимодействия третичную структуру белка гидрофобные взаимодействия

Наиболее важные водородные связи образуются между атомом водорода, несущим частичный положительный заряд, и отрицательно заряженным атомом кислорода в белковой молекуле. Ниже представлены примеры водородных связей, которые могут еще образовываться в белковой молекуле: а) между пептидными цепями; б) между двумя гидроксильными группами; в) между ионизированной СООН-группой и ОН-группой тирозина; г) между ОН-группой серина и пептидной связью. атомом водорода атомомкислородамолекулетирозинасеринапептидной связью атомом водорода атомомкислородамолекулетирозинасеринапептидной связью

Дисульфидные связи в структуре инсулина человека

Первым белком, третичная структура которого была выяснена Дж. Кендрью на основании рентгеноструктурного анализа, оказался миоглобин кашалота. Это сравнительно небольшой белок с мол. м , содержащий 153 аминокислотных остатка (полностью выяснена первичная структура), представленный одной полипептидной цепью. Основная функция миоглобина – перенос кислорода в мышцах. Полипептидная цепь мио-глобина представлена в виде изогнутой трубки, компактно уложенной вокруг гема (небелковый компонент, содержащий железо) белкомбелокмиоглобинакислородагемажелезобелкомбелокмиоглобинакислородагемажелезо Модель третичной структуры молекулы миоглобина (по Дж. Кендрью). Латинскими буквами обозначены структурные домены, красным цветом – гем Модель третичной структуры молекулы миоглобина (по Дж. Кендрью). Латинскими буквами обозначены структурные домены, красным цветом – геммолекулы миоглобинадоменыгеммолекулы миоглобинадоменыгем

Если полипептидная цепь содержит более 200 аминокислот, то ее пространственная структура сформированы в виде доменов. Домен – это компактная глобулярная структурная единица внутри полипептидной цепи. Домен – это компактная глобулярная структурная единица внутри полипептидной цепи. Домены могут выполнять разные функции и подвергаться складыванию (свертыванию) в независимые компактные глобулярные структурные единицы, соединенные между собой гибкими участками внутри белковой молекулы. Домены могут выполнять разные функции и подвергаться складыванию (свертыванию) в независимые компактные глобулярные структурные единицы, соединенные между собой гибкими участками внутри белковой молекулы. Доменымолекулы Доменымолекулы Открыто много белков (например, иммуноглобулины), состоящих из разных по структуре и функциям доменов, кодируемых разными генами. Открыто много белков (например, иммуноглобулины), состоящих из разных по структуре и функциям доменов, кодируемых разными генами.белков доменов генамибелков доменов генами Домены определяются на генетическом уровне – экзонами. Домены определяются на генетическом уровне – экзонами.

Двудоменный транскрипционный фактор – репрессор из бактериофага P22 (PDB код 1QAR): два очевидных домена связаны гибким линкером ДНК-связывающий домен Пептидаза, а за одно и димеризационный домен

Под четвертичной структурой подразумевают способ укладки в пространстве отдельных полипептидных цепей, обладающих одинаковой (или разной) первичной, вторичной или третичной структурой, и формирование единого в структурном и функциональном отношениях макромолекулярного образования. Под четвертичной структурой подразумевают способ укладки в пространстве отдельных полипептидных цепей, обладающих одинаковой (или разной) первичной, вторичной или третичной структурой, и формирование единого в структурном и функциональном отношениях макромолекулярного образования. Каждая отдельно взятая полипептидная цепь, получившая название протомера, мономера или субъединицы, чаще всего не обладает биологической активностью. Каждая отдельно взятая полипептидная цепь, получившая название протомера, мономера или субъединицы, чаще всего не обладает биологической активностью. Эту способность белок приобретает при определенном способе пространственного объединения входящих в его состав протомеров, т.е. возникает новое качество, не свойственное мономерному белку. Образовавшуюся молекулу принято называть олигомером. Эту способность белок приобретает при определенном способе пространственного объединения входящих в его состав протомеров, т.е. возникает новое качество, не свойственное мономерному белку. Образовавшуюся молекулу принято называть олигомером.

Олигомерные белки Олигомерные белки чаще построены из четного числа протомеров (от 2 до 4, реже от 6 до 8) с одинаковыми или разными молекулярными массами – от нескольких тысяч до сотен тысяч. Олигомерные белки чаще построены из четного числа протомеров (от 2 до 4, реже от 6 до 8) с одинаковыми или разными молекулярными массами – от нескольких тысяч до сотен тысяч. В частности, молекула гемоглобина состоит из двух одинаковых α- и двух β- полипептидных цепей, т.е. представляет собой тетрамер. В частности, молекула гемоглобина состоит из двух одинаковых α- и двух β- полипептидных цепей, т.е. представляет собой тетрамер.

Уровни организации белковой молекулы. Линейная последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи называют первичной структурой белка.

Уровни организации белковой структуры: первичная структура (аминокислотная последовательность), вторичная структура (a-спираль и один тяж b-структуры), третичная структура глобулы, сложенной одной цепью, и четвертичная структура олигомерного (в данном случае - димерного) белка.

Таким образом, линейная одномерная структура полипептидной цепи (т.е. последовательность аминокислотных остатков, обусловленная кодом белкового синтеза) наделена информацией другого типа – конформационной, которая представляет собой образование белковой молекулы строго заданной формы с определенным пространственным расположением отдельных ее частей. последовательность аминокислотныхмолекулы последовательность аминокислотныхмолекулы

Фолдинг - процесс пространственной укладки синтезированной полипептидной цепи, формирование единственно возможной нативной структуры белка. В клетках происходит отбор из множества стерически возможных состояний одной-единственной стабильной и биологически активной конформации, определяемой, вероятнее всего, первичной структурой. В фолдинге участвуют белки - шапероны. И хотя большинство только что синтезированных белков могут сворачиваться и при отсутствии шаперонов, некоторому меньшинству обязательно требуется их присутствие. клеткахшапероныклеткахшапероны

Шапероны.

Участие шаперонов в фолдинге белка. Предполагается, что основными функциями шаперонов являются способность предотвращать образование из полипептидной цепи неспецифических (хаотичных) беспорядочных клубков, или агрегатов белков, и обеспечение доставки (транспорта) их к субклеточным мишеням, создавая условия для завершения свертывания белковой молекулы. Предполагается, что основными функциями шаперонов являются способность предотвращать образование из полипептидной цепи неспецифических (хаотичных) беспорядочных клубков, или агрегатов белков, и обеспечение доставки (транспорта) их к субклеточным мишеням, создавая условия для завершения свертывания белковой молекулы.белковмолекулыбелковмолекулы

Изображение модели комплекса бактериальных шаперонов GroES и GroEL (вид сверху). Аггрегированный белок поступает в центральную полость комплекса, где в результате гидролиза АТФ происходит изменение его структуры. АТФ Шапероны удерживают белки в развернутом состоянии. Шапероны удерживают белки в развернутом состоянии. Взаимодействие шаперонов с синтезируемым белком начинается еще до схождения полипептидной цепи с рибосомы Взаимодействие шаперонов с синтезируемым белком начинается еще до схождения полипептидной цепи с рибосомы Связываясь с отдельными участками «опекаемой» ими полипептидной цепи, молекулы hsp70 образуют прочные комплексы, удерживающие цепь в развернутом состоянии. Связываясь с отдельными участками «опекаемой» ими полипептидной цепи, молекулы hsp70 образуют прочные комплексы, удерживающие цепь в развернутом состоянии. Главная функция hsp70 состоит в удержании вновь синтезируемых белков от неспецифической агрегации и в их передаче другому «белку-помощнику», шаперонину, роль которого - обеспечить оптимальные условия для эффективного сворачивания Главная функция hsp70 состоит в удержании вновь синтезируемых белков от неспецифической агрегации и в их передаче другому «белку-помощнику», шаперонину, роль которого - обеспечить оптимальные условия для эффективного сворачивания

Вновь синтезированный белок или полипептид не всегда функционально активны и требуют дополнительных преобразований, включающих: Фолдинг молекул. Фолдинг молекул. Образование дисульфидных мостиков между остатками цистеина. Образование дисульфидных мостиков между остатками цистеина. Частичный протеолиз. Частичный протеолиз. Присоединение простетической группы. Сборка протомеров в олигомерный белок. Присоединение простетической группы. Сборка протомеров в олигомерный белок. Модификацию аминокислотных остатков: фосфорилирование, гидроксилирование и другие реакции. Модификацию аминокислотных остатков: фосфорилирование, гидроксилирование и другие реакции. Пострансляционная модификация белков

Деградация белков - Убиквитиновый сигнальный путь Белок выполняет закреплённую за ним функцию, а затем, в определённый момент, клетке необходимо от него избавиться. Последнее обусловлено рядом причин: во - первых, дальнейшая активность белка может навредить клетке, во - вторых, нужно синтезировать новые белки, а перегрузка цитоплазмы полипептидами является источником апоптоза. Внутриклеточную деградацию белков долгое время считали неспецифическим случайным процессом. Настоящим прорывом в данной области послужило открытие убиквитинового сигнального пути. В рамках этого пути деградации белка, которая осуществляется крупным белковым комплексом - протеосомой, предшествует присоединение к нему "цепочки"молекул небольшого пептида убиквитина. апоптоза

Полиубиквитиновая цепочка навешивается в строго определённый момент и является сигналом, свидетельствующим о том, что данный белок подлежит деградации. Аминокислота, по остатку которой убиквитин связывается с белками – лизин. Теперь ясно, что процесс внутриклеточного протеолиза жестко регулируется и чрезвычайно важен для множества базальных клеточных функций. Среди субстратов специфического протеолиза : регуляторы клеточного цикла, компоненты различных сигнальных путей, а также мутантные белки и белки, поврежденные посттрансляционно. клеточного цикламутантныепосттрансляционноклеточного цикламутантныепосттрансляционно