ТЕМА 1. ОБРАЗОВАНИЕ БЕЛКОВ

ТЕМА 1. ОБРАЗОВАНИЕ БЕЛКОВ:

ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ФОЛДИНГЕ

Процесс образования белков состоит из трех стадий: · трансляция · фолдинг

СТРОЕНИЕ БЕЛКОВ

Различают несколько уровней структуры белков: первичную, вторичную, третичную, а для олигомерных белков – и четвертичную структуры. Первичная структура – это последовательность аминокислотных остатков,… Принципиально важно, что практически все 20 аминокислотных остатков, встречающихся в природных белках, имеют сходный…

Таблица 1.1. Распределение аминокислотных остатков между тремя

Вариантами вторичной структуры

Белок	Альфа-спираль	Бета-структура	Бесструктурные участки
Тубулин	22%	30%	48%
Инсулин	52%	6%	42%
Миоглобин	75%	0%	25%

 

Особый вид вторичной структуры в белке коллагене, который имеет общие черты и с альфа- и с бета- структурами и называется коллагеновой спиралью.

В a-спиралиостов пептидной цепи закручивается в спираль так, что радикалы аминокислот обращены наружу от спирали (рис.1.2).

 

Рис. 1.2. Вторичная структура белков. Альфа-спираль

 

Структура удерживается водородными связями между остовами аминокислот, причем в образовании такой связи участвует –NH-группа одной аминокислоты и –CO- – другой, которая в пептидной цепи отделена от первой 3-мя другими аминокислотами. В итоге на один виток a-спирали приходится в среднем 3,6 аминокислотных остатков. Альфа-спираль образуется только потому, что является наиболее термодинамически выгодным состоянием для данного участка пептидной цепи.

b-структура – остовы пептидных цепей не скручены в спираль, а имеют зигзагообразную конфигурацию (структура складчатого листа, рис.1.3). Удерживается водородными связями между теми же группами, но теперь (если речь идет о глобулярном белке) для сближения этих групп и образования связей

Рис. 1.3. Вторичная структура белков. Бета-структура

 

 

пептидная цепь образует складки 2-х видов – крупные складки в результате поворота цепи на 180⁰ и мелкие изгибы цепи в пределах одной складки. Прилежащие друг к другу участки цепи в b-структуре могут быть как параллельными так и антипараллельными (рис.1.4 и 1.5).

 

 

Рис. 1.4. Антипараллельные участи цепи в b-структуре

 

Рис.1. 5. Параллельные участки цепи в b-структуре

 

В фибриллярных белках с b-спиралью в образовании водородных связей участвуют соседние и расположенные параллельно пептидные цепи.

Вторичная структура белка или его фрагмента определяется его первичной структурой.

Боковые радикалы аминокислот хотя и не участвуют в стабилизирующих эту структуру связях, но определяют, каким образом пептидная цепь может свернуться для образования таких связей и может ли свернуться вообще. Например, остатки пролина и гидроксипролина полностью исключают образование в своем локусе как a-спирали так и b-структуры. Одноименно заряженные радикалы аминокислот из-за взаимного отталкивания не могут сблизиться в a-спирали и т.д.

Третичная структура. О третичной структуре обычно говорят применительно лишь к глобулярным белкам. Под ней понимают конформацию белковой глобулы, т.е. укладка в пространстве a-спиральных, b-структурных и бесструктурных участков пептидной цепи. В отличии от вторичной, третичная структура образуется и удерживается за счет образования связей непосредственно между радикалами аминокислот. Характер связей зависит от природы радикалов (табл.1.2).

 

Таблица 1.2 Типы радикалов аминокислот и образуемые ими связи

Типы радикалов	Соответствующие аминокислоты	Примерное содержание в белках	Связи, образуемые радикалами
Неполярные радикалы	глицин, аланин, ва-лин, лейцин, изо-лейцин, метионин, фенилаланин, трип-тофан, пролин	50%	Гидрофобные и Ван-дер-ваальсовые (ин-дукционные и дис-персионные) взаи-модействия
Полярные радикалы, не способные к ионизации	серин, треонин, цис-теин, тирозин, гид-роксипролин, аспа-рагин, глутамин	20%	Водородные связи, а также дисульфид-ные для цистеина
Полярные радикалы, способные к ионизации при физиологическом рН	аспарагиновая кис-лота, глутаминовая кислота, аргинин, лизин, гидроксили-зин, гистидин	30%	Ионные и водо-родные связи

 

 

По физико-химическим свойствам радикалы всех аминокислот подразделяют на 3 группы с образованием связей 4-5 видов (рис.1.6):

- ковалентной – дисульфидная связь между остатками цистеина;

- нековалентные (слабые) взаимодействия;

- ионные связи между разноименно заряженными (а следовательно гидрофильными) радикалами;

- водородные связи между полярными (как заряженными, так и незаряженными) радикалами;

- гидрофобные и Ван-дер-ваальсовы взаимодействия между неполярными (т.е. гидрофобными) радикалами.

 

 

Слабый характер ионных и водородных связей в значитель­ной мере обусловлен влиянием водной среды,в которой обычно находится белок. Так, дипольные молекулы воды, ориентиру­ясь вокруг полярных (в т. ч. заряженных) радикалов, в 80 раз снижают электрическое поле заряженных радикалов и могут са­ми образовывать водородные связи с полярными радикалами. На разрушение этих связей расходуется большая часть энергии межрадикального взаимодействия.

Тем не менее замыкание большого числа межрадикальных связей приводит к образованию термодинамически наиболее устойчивой конфигурации— нативной третичной структуры белка.

При этом взаимодействующие друг с другом радикалы мо­гут находиться в вытянутой пептидной цепи весьма далеко друг от друга. Их сближение происходит лишь в результате слож­ных изгибов полипептидной цепи в трехмерном пространстве.

В итоге образуется глобулярная частица, причем одни ра­дикалы находятся внутри нее, а другие — на ее поверхности. Например, для модельного миоглобиноподобного белка ра­спределение радикаловоказалось следующим (табл. 1.3).

 

Таблица 1.3. Распределение радикалов в миоглобиноподобном белке

60 внутренних радикалов (40%)	90 наружных радикалов (60%)
В том числе: 48 гидрофобных и 12 гидрофильных	В том числе: 28 гидрофобных и 65 гидрофильных

 

Как видно из данных табл. 1.3, основная часть гидрофоб­ных радикалов находится внутри глобулы (куда они уходят от водной фазы), а большинство гидрофильных радикалов — на ее поверхности. В то же время это правило не является абсолют­ным: некоторое количество гидрофобных радикалов остается на поверхности.

Последнее очень важно для взаимодействия белка с лигандами, имеющими гидрофобные группы.

Формирование третичной структуры играет ре­шающую роль в приобретении белком присущей ему функцио­нальной активности.Как правило, именно на уровне этой структуры в белке появляются т.н. активные центры(один или несколько) — группы из нескольких радикалов, способные спе­цифично взаимодействовать с определенными лигандами.

Эти радикалы на уровне первичной структуры зачастую находятся далеко друг от друга и сближаются лишь в процессе фолдинга.

Вместе с тем третичная структура обладает определенной подвижностью.На конформации глобулы могут сказываться следующие факторы:

- тепловые флуктуации и колебания отдельных групп, когда связи между ними то разрываются, то вновь замы­каются;

- специальные вещества-регуляторы;

- химическая модификация белка (например, фосфорилирование);

- само выполнение белком его функции.

Изменение конформации белков — важнейший способ из­менения их биологической активности,который широко ис­пользуется в клетке для регуляции различных процессов.

Четвертичная структура.Понятие четвертичной структуры применимо только к белкам, состоящим из нескольких субъединиц. (напр. гемоглобин состоит из 4 субъединиц 2-х видов). Четвертичной структурой обладает около 5% белков, в том числе гемоглобин, иммуноглобулин, инсулин. Почти все ДНК- и РНК- полимеразы имеют четвертичную структуру. Связи, образующие и поддерживающие четвертичную структуру, те же самые, что и при образовании третичной структуры, кроме гидрофобных.

Субъединицы связываются за счет взаимодействия аминокислотных радикалов расположенных на контактирующих поверхностях субъединиц. Эти поверхности по расположению радикалов являются взаимно комплементарными. В частности, они нередко обогащены гидрофобными и разноименно заряженными радикалами. Таким образом, связывание субъединиц может происходить лишь после образования третичной структуры. И такое связывание само сказывается на третичной структуре доводя ее до функционально активного или неактивного белка. Поэтому такие белки обычно активны лишь в олигомерной форме (гемоглобин) или наоборот только в диссоциированном состоянии (протеинкиназы). В этом случае одни субъединицы служит для подавления активности других и диссоциируют под влиянием специального сигнала (цАМФ).

Модели сворачивания белков.

1.2.1. Модель промежуточного состояния. Предложена в 1972 г О.Б. Птицыным. В соответствии с этой моделью фолдинг белка осуществляется в несколько стадий.

ФАКТОРЫ ФОЛДИНГА

Отсюда и возникло представление о вспомогательных белках (или факторах) фолдинга. Данные факторы разделяют на 2 группы: 1. белки с каталитической активностью, т.е. ферменты фолдинга – фолдазы. Как и прочие ферменты, они требуются лишь в…

Ферменты фолдинга

К настоящему времени выявлены и изучены два фермента фолдинга - протеиндисульфидизомераза (ПДИ) и пептидилпролилизомераза (ППЛ). 1.3.1.1.Протеиндисульфидизомераза (ПДИ)

Шапероны

1.3.2.1. Функции шаперонов. 1. Обеспечение "правильного" фолдинга новообразованных белков.

Прионы как антишапероны

Существует группа тяжелых неврологических болезней, которые обусловлены закономерно повторяющимся «неправильным» фолдингом одного, вполне… Данный белок, если он находится в нормальной конформации, называется прионовым… При ряде же заболеваний тот же полипептид оказывается в другой конформации. В последней преобладают участки с…

ТЕМА 2. СОРТИРОВКА И МОДИФИКАЦИЯ БЕЛКОВ

В формировании всех этих белков ключевую роль играют: - во-первых, гранулярная, или шероховатая ЭПС (эндоплазматическая сеть), - во-вторых, комплекс Гольджи.

Сортировка и транспорт белков митохондрий

  Все белки, синтезируемые мембраносвязанными рибосомами, имеют гидрофобную СП,… Митохондриальные белки, как уже упоминалось, в подавляющем большинстве (95%) образуются свободными рибосомами; да и…