Вторичная структура белков

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Реферат

Вторичная структура белков

структура белок спираль полипептид цепь

Регулярная структура полипептидной цепи предопределяет возможность формирования стандартных, так называемых канонических, конформаций, легко обнаруживаемых в нативной форме с помощью различных методов. Такого рода пространственно упорядоченные участки, стабилизированные водородными связями между пептидными СО- и N Н-группами, называются элементами вторичной структуры.

Исторически первой описанной пространственной конфигурацией полипептидной цепи была в-структура, предложенная У. Астбери в 1941 г. на основании рентгеноструктурных исследований в-кератина. Через 10 лет Л. Полинг и Р. Кори установили, что в-структура, или «складчатый лист» (рис. 38)-- это стабилизированный межцепочечными водородными связями ассоциат вытянутых, зигзагообразных пептидных цепей. В зависимости от взаимной ориентации цепей различают параллельные и антипараллельные в-структуры (рис. 39).

Рис. 38. Конформация в-складчатого листа.

Примером белков природного происхождения с в-структурой является фиброин шелка. По существу, предельная вытянутость в-структуры и определяет большую прочность шелковой нити, ее малую растяжимость. С другой стороны, так как отдельные «слои» ее связаны друг с другом лишь за счет ван-дер-ваальсовых взаимодействий, шелк чрезвычайно эластичен.

В фиброине шелка полипептидные цепи расположены антипараллельно,
а в в-кератине стягиваются дополнительно липопротеином серицином. Достаточно протяженные участки фиброина шелка имеют повторяющийся структурный фрагмент --Gly--Ala--Gly--Ser--Gly--Ala--, и так как остатки Ala и Ser оказываются расположенными по одну сторону средней плоскости «листа», а остатки Gly -- по другую, то расстояние между слоями не одинаково и составляет 0,35 нм и 0,57 нм соответственно (а не 0,47 нм, как в канонической в-структуре). в-Структура (типа в-кератина) присутствует в синтетических полипептидах. Приблизительно 15% аминокислотных остатков глобулярных белков также входит в состав в-структур.

Рис. 39. Параллельная (а) и антипараллельная (б) в-структура.

Края антипараллельных в-структур образованы особым видом вторичной структуры, который называется в-изгибом (реверсивным поворотом). в-Изгибы образуются четырьмя последовательно расположенными аминокислотными остатками, как правило, образующими водородную связь 4 > 1. Анализ показывает, что возможны два основных вида в-изгибов (так называемые изгибы типа I и II, рис. 40), отличающихся ориентацией пептидного карбонила по отношению к средней плоскости 10-членного цикла. в-Изгибы -- характерный элемент пространственной структуры природных и синтетических олигопептидов, как линейных, так и циклических. Фрагмент в-структуры из двух антипараллельных цепей с в-изгибом часто называют «в-шпилькой».

Одна из главных канонических форм полипептидной цепи была впервые обнаружена Л. Полингом и Р. Кори в 1951 г. и названа а-спиралью (рис. 41). В общем случае спиральная структура возникает, когда во всех звеньях полипептидной цепи углы поворота вокруг простых связей имеют одинаковые величину и знак, что и приводит к постепенному закручиванию цепочки. Структура б-спирали, помимо невалентных взаимодействий ближайших атомов, стабилизируется также внутримолекулярными водородными связями между С=0- и N--Н-группами полипептидного остова. Радикалы аминокислотных остатков оказываются на периферии образованного спиралью цилиндра и могут, в зависимости от характера аминокислотных остатков, обеспечивать гидрофобную или гидрофильную природу этой цилиндрической поверхности. б-Спираль имеет следующие геометрические параметры: радиус r = 0,23нм, высота спирали (смещение) на один остаток (d=0,15нм; шаг б-спирали (период идентичности) Р = 0,54нм (рис. 42). Один виток б-спирали образуют 3,6 аминокислотных остатка. Как и любая другая спираль, б-спираль может быть правой или левой. В белках встречаются только правые б-спирали.

Рис. 41. Модель б-спиральной конформации полипептидной цепи.

Наряду с б-спиралью возможно существование и других спиралей, имеющих иные параметры -- содержащих меньшее (например, так называемая 3₁₀-спираль) или большее (р-спираль) число остатков на виток (рис. 43).

Рис. 42. Параметры спиральной конформации пептидной цели

В б-спирали каждая NH-группа полипептидного остова соединяется водородной связью с группой СО четвертого от нее аминокислотного остатка (5>1 связь), образуя 13-членный цикл. Так как в один виток б-спирали входит 3,6 остатка, то ее можно обозначить как 3,6₁₃-спираль. Аналогичным образом, с учетом размеров Н-связанных циклов, обозначаются и другие теоретически возможные типы спиралей (рис. 44).

Спираль 2,2₇ (2,2 остатка на виток, семичленный Н-связанный цикл) оказывается весьма напряженной и в природных полипептидах и белках не реализуется. Спираль 3₁₀, хотя и является напряженной, тем не менее существует в природе, в частности найдена в миоглобине и лизоциме. Спирали 4,4₁₆, или р-спирали, в белках практически не встречаются. В силу ограничений, вносимых структурой пролина (фиксированный угол ц), полипролин может существовать в специфических спиральных конформациях, обозначаемых как спираль полипролина I и спираль полипролина II (рис. 45). Такие спирали во многом подобны спирали коллагена. Параметры спиральных структур (рис. 42) приведены в таблице 4.

б-Спираль встречается в белках очень часто. Например, б-кератин является полностью б-спиральным белком, в миоглобине и гемоглобине содержание б-спирали составляет 75%, а в сывороточном альбумине -- 50 %. С другой стороны, имеются белки, в которых б-спиральные участки отсутствуют (например, нейротоксины змей, см. с. 280) или их содержание невелико. Так, в ферментах рибонуклеазе А и химотрипсине доля б-спиралей составляет 17 и 8% соответственно.

Завершая обсуждение вторичной структуры белков, следует отметить, что распространенность б-спирали и в-структуры связана с тем, что они являются энергетически предпочтительными кон- фигурациями полипептидной цепи. Это легко видеть и на конформационной карте (рис. 46), где для сравнения приведены параметры других регулярных форм.

Рис. 43. Спиральные конформации полипептидных цепей с внутримолекулярными водородными связями.

Сверхвторичная структура. Следующий за вторичной структурой уровень организации полипептидной цепи связан с наличием ансамблей взаимодействующих между собой вторичных структур. В частности, имеются примеры агрегации б-спиралей с образованием суперспирализованных систем.

Рис. 44. Строение Н-связанных циклов в различных типах спиралей.

Параметры спиральных структур

Наиболее известна в этом отношении структура б-кератина шерсти. Три б-спиральные цепи кератина скручены в протофибриллы, которые, в свою очередь, объединены в микрофибриллу, образующую волос (рис. 47).

Такая сверхвторичная структура объясняет, почему шерсть эластична, легко растягивается и после снятия усилия постепенно восстанавливает свою длину. В силу того, что межмолёкулярные связи слабы, шерсть непрочна. В волокнах шерсти период идентичности равен 0,51 нм (а не 0,54нм, как в «канонической» б-спирали).

Рис. 46. Двугранные углы регулярных, структур.

Короткие участки суперспирализованных антипараллельных бспиралей присутствуют и в некоторых глобулярных белках. Весьма компактную левую тройную спираль образуют параллельные спирали типа полипролина в коллагене. Другая распространенная группа супервторичных структур -- различные варианты так называемой вбв-структуры, в которой в-спираль взаимодействует с в-складчатым листом. Чаще всего встречается структура вбвбв, показанная на рисунке 48.

Многие белки содержат относительно слабо взаимодействующие между собой участки, которые называют доменами. Средний размер домена обычно составляет 100 -- 150 остатков, что отвечает глобуле с поперечником около 2,5 нм. Вместе с тем встречаются и значительно большие домены. Вероятнее всего, формирование пространственной структуры белка вначале происходит внутри будущих доменов, а взаимная укладка доменов, т. е. образование третичной структуры, происходит на заключительных этапах формирования глобулы.

Размещено на Allbest.ru