Видова специфічність первинної структури білків (інсуліни різних тварин)
Первинна структура білка - лінійна послідовність амінокислотних залишків поліпептидної ланцюга. Інформація про первинну структуру кожного білка закодована ДНК.
Амінокислотна послідовність білків визначає його просторову структуру (конформацію) та специфічну біологічну функцію.
В організмі людини понад 50 000 білків, кожен з них має унікальну для даного білка первинну структуру. Усі молекули індивідуального білка мають однакове чергування амінокислотних залишків, що відрізняє цей білок від іншого білка. Заміна однієї амінокислоти часто призводить до втрати біологічної активності білка. У гемоглобіні заміна глутамату (глутамінової кислоти) у положенні 6 бета-ланцюга на валін викликає серповидно-клітинну анемію.
Білки, що мають гомологічні ділянки поліпептидного ланцюга, подібну просторову структуру (конформацію) і виконують у межах одного виду однакові функції, утворюють сімейство білків.
Як правило, вони виникають у ході еволюції в межах одного біологічного виду шляхом заміни одних амінокислот іншими, близькі їм за фізико-хімічними властивостями.
Прикладами білкових сімейств є: сімейство міоглобіну, куди включені крім самого міоглобіну, та всі види гемоглобіну; сімейство імуноглобулінів, сімейство Т-клітинних антигенрозпізнаючих рецепторів, сімейство білків головного комплексу гістосумісності, сімейство серинових протеаз, відмінна риса яких полягає в обов'язковій присутності в активному центрі амінокислоти – серину. Основний білок плазми крові – альбумін утворює сімейство з альфа-фетопротеїном, одним із білків фетально-плацентарного комплексу, з яким він має 70% гомологію первинної структури.
Білки, що виконують урізних видів однакові функції називаються гомологічними. Їхнє існування підтверджує загальне еволюційне походження видів. Вони характеризуються:
- однаковою або незначною масою;
- містять у багатьох положеннях ті самі амінокислотні залишки, які визначають конформацію та біологічну функцію даних білків;
- відмінності в амінокислотному складі не торкаються активного центру чи ділянок, що відповідають за формування конформації;
- містять гомологічні послідовності амінокислот.
Інсулін різних організмів - основний регулятор вуглеводного обміну у тварин і людини, що має значну схожість первинної структури. Бичачий інсулін відрізняється від інсуліну людини за трьома амінокислотними залишками, а інсулін свині відрізняється тільки на одну амінокислоту.
Конформація пептидних ланцюгів у білках (вторинна і третинна структури). Слабкі внутрішньомолекулярні взаємодії в пептидному ланцюзі, дисульфідні зв'язки. Доменна структура та її роль у функціонуванні білків.
Конформація пептидних ланцюгів у білках (вторинна та третинна структури)
Конформацією білкових ланцюгів називається певна просторова структура, утворена з допомогою внутрішньомолекулярних взаємодій. Два основних типи конформації білків - вторинна та третинна структури. Вторинна структура білків - просторова структура поліпептидного ланцюга, обумовлена водневими зв'язками, утвореними функціональними групами пептидного кістяка. У вторинній структурі білків є ділянки з регулярною і нерегулярною структурою. Ділянки з регулярною структурою представлені стабільними структурами двох типів: альфа-спіральними та бета-складчадчастими:
альфа-спіральні структури - найпоширенішийелемент вторинної структури білків. Пептидна ланцюг утворює спіраль, на кожен виток якої припадає 3,6 амінокислотних залишків. У спіральних ділянках водневі зв'язки виникають між >С=0 та >NH групами пептидних зв'язків через 4 амінокислотні залишки. Орієнтовані ці зв'язки вздовж осі спіралі.
Бічні ланцюги амінокислотних залишків локалізовані на периферії спіралі і не беруть участь у формуванні водневих зв'язків, що стабілізують аспіраль. Однак радикали деяких амінокислот перешкоджають формуванню альфа-спіралі у разі, якщо поряд розташовані кілька однаково заряджених радикалів (виникає електростатичне відштовхування) або близько розташовані об'ємні радикали, наприклад, триптофан і метіонін (механічне порушення альфа-спіралі). Пролін, в якому відсутній атом водню у атома азоту, що утворює пептидний зв'язок, не може формувати водневий зв'язок з відповідною карбоксильною групою, і альфа-спіраль порушується. У ділянці, де знаходиться пролін, поліпептидний ланцюг утворює петлю або вигин.
Бета-складчасті структури стабілізовані безліччю водневих зв'язків між атомами пептидних груп лінійних ділянок одного поліпептидного ланцюга (внутрішньоланцюгові зв'язки) або різних поліпептидних ланцюгів (міжланцюжкові зв'язки). Водневі зв'язки розташовані перпендикулярно до поліпептидного ланцюга. Якщо ланцюги орієнтовані в одному напрямку, утворюється паралельний Р-складчастий шар, а якщо ланцюги орієнтовані в протилежних напрямках, то антипаралельний бета-складчастий шар. Радикали амінокислотних залишків орієнтовані майже перпендикулярно до площини бета-шару.
Крім регулярних структур, у білках існують області з нерегулярною вторинною структурою, які називаються безладними клубками (цім терміном часто називають іденатурований білок). Вони не мають регулярного просторового укладання, як у альфа-спіралі та бета-складчастої структури, хоча утворюють характерну для кожного білка конформацію, що складається з петлеподібних та кільцеподібних структур. У молекулі білка, що складається з низки спіральних та складчастих ділянок, обов'язково зустрічаються ділянки з нерегулярною структурою. Вони включають від 3 до 10-15 амінокислотних залишків. Значення цих ділянок полягає у компактизації білкової молекули. Виявлено, що ділянки повороту р-складчастої структури включають зміни амінокислот Пролін-Гліцин-Пролін.
Третинна структура білка - це тривимірна конформація білка, що утворюється в результаті взаємодії між радикалами амінокислот, які можуть перебувати в пептидному ланцюзі на будь-якій відстані один від одного. Функціонально активну конформацію називають нативною структурою білка.
Слабкі внутрішньомолекулярні взаємодії в пептидному ланцюзі; дисульфідні зв'язки. В освіті третинної структури беруть участь:
- Гідрофобні взаємодії, тобто. слабкі взаємодії між неполярними радикалами, які призводять до того, що гідрофобні радикали амінокислот виявляються всередині глобулярної структури білка, утворивши гідрофобне ядро,
- іонні та водневі зв'язки між гідрофільними групами радикалів амінокислот, що опинилися всередині гідрофобного ядра. Іонні та водневі зв'язки, а також гідрофобні взаємодії належать до слабких, їх енергія не набагато перевищує енергію теплового руху молекул при кімнатній температурі.
- ковалентні дисульфідні зв'язки -S-S- між цистеїновими залишками, що знаходяться в різних місцях поліпептидного ланцюга. Наявність дисульфідних зв'язків характерна для білків, що секретуються клітиною (інсулін,імуноглобуліни).
Домени – незалежні, компактно згорнуті фрагменти поліпептидного ланцюга, що відповідають за певний біологічний ефект. Вони мають самостійну третинну структуру, аналогічну до глобулярних білків.
У структурі мембранного рецептора виділяють три домени:
1 - позаклітинний (складається зі спіральних та складчастих ділянок);
2 - мембранна, альфа-спіральна ділянка, що складається з гідрофобних амінокислот (якорна ділянка);
3 - внутрішньоклітинний, для взаємодії із внутрішньоклітинним ферментом.
Особливістю доменної організації білка є відносна незалежність доменів, тобто. можливість їхнього автономного функціонування. Так, наприклад, позаклітинний домен мембранного рецептора, відокремлений від мембранної альфа-спіральної ділянки, продовжує зв'язувати молекули гормону. Виділена якірна ділянка мембранного рецептора здатна спонтанно вбудовуватися в клітинну мембрану, а ізольований внутрішньоклітинний домен мембранного рецептора здатний взаємодіяти з внутрішньоклітинним ферментом (наприклад, аденілатциклазою).
(Так, наприклад, у гексокінази один домен пов'язаний з глюкозою, інший з АТФ, зближення доменів сприяє зближенню АТФ та глюкози і відповідно прискорює перенесення фосфатної групи)
Гексокіназа каталізує фосфорилювання глюкози. Активний центр знаходиться у складці між двома доменами. При зв'язуванні гексокінази з глюкозою домени стуляються, і субстрат виявляється у "пастці", де піддається фосфорилированию.