3.2: Рівні (порядки) білкової структури
- Page ID
- 6189
A. первинна структура
1. L амінокислоти і C-N-C-N-... поліпептидний хребет
Первинна структура білка відноситься до амінокислотної послідовності його поліпептидного ланцюга (ів). Клітини використовують лише 20 амінокислот для виготовлення поліпептидів і білків, хоча вони використовують кілька додаткових амінокислот для інших цілей. Пептидні зв'язки між амінокислотами в поліпептидах утворюються в реакціях конденсації в клітині при синтезі білка (тобто трансляції). Зв'язки включають множинні ковалентні зв'язки. Вони розриваються і переставляються між карбоксильною і аміногрупами амінокислот під час формування зв'язків.
20 амінокислот, що містяться в білках, показані нижче.
За винятком гліцину, a-вуглець у 19 інших амінокислотах пов'язаний з чотирма різними групами, що робить їх хіральними або оптично активними.
Нагадаємо, що хіральні вуглеці дозволяють дзеркальне відображення D і L або d і l оптичних ізомерів. Нагадаємо також, що тільки нижній регістр d або l визначає оптичні властивості ізомерів. Просто для того, щоб зробити життя цікавим, L амінокислоти насправді декстроротаційні в поляриметрі, роблячи їх d-амінокислоти! Хоча обидва енантіомери існують в клітині, тільки декстроротаційні d (тобто L) амінокислоти (поряд з гліцином) використовуються клітинами для побудови поліпептидів і білків. Частковий поліпептид проілюстрований нижче.
Результатом перекладу в клітці є поліпептидний ланцюг з карбоксильним кінцем і амінокінцем. Амінокислотні бічні ланцюги (обведені вище) закінчуються чергуванням з протилежних сторін C-N-C-N-... поліпептидного хребта через кути ковалентного зв'язку вздовж хребта. Ви можете довести це собі, зібравши короткий поліпептид з молекулярним моделюючим набором, вид, який ви могли б використовувати в класі хімії! C-N-C-N-... кістяк є основою вищих порядків або рівнів білкової структури (див. Нижче).
2. Визначення первинної структури білка - секвенування поліпептидів
Фредерік Сангер першим продемонстрував практичний метод секвенування білків, коли повідомив про амінокислотну послідовність двох поліпептидів бичачого (коров'ячого) інсуліну. Коротко, методика передбачає поетапний гідроліз поліпептидних фрагментів, званий деградацією Едмана. Кожен гідроліз залишає після себе поліпептидний фрагмент, скорочений на одну амінокислоту, яку можна ідентифікувати. Сангер отримав Нобелівську премію в 1958 році за цей подвиг. За умовністю відображення і підрахунок амінокислот завжди починається з аміно-, або N-кінцевого кінця (кінець з вільною NH2-групою). Первинна структура продиктована безпосередньо геном, що кодує білок. Після транскрипції гена) рибосома переводить отриману мРНК в поліпептид.
Протягом деякого часу секвенування ДНК замінило найбільш пряме секвенування білка. Метод секвенування ДНК, який в розмові називають методом дидеокси Сангера, швидко набув широкого поширення і в кінцевому підсумку був автоматизований, забезпечуючи швидке секвенування генів (і навіть цілого генома). Тепер, замість безпосереднього секвенування поліпептидів, ми можемо зробити висновок про послідовності амінокислот з послідовностей генів, ізольованих шляхом клонування або виявлених після повних проектів секвенування генома. Це той самий Сангер, який вперше секвенував білки, і так..., він отримав другу Нобелівську премію за роботу з секвенування ДНК в 1980 році!
Різні фізичні та хімічні властивості самих амінокислот є результатом бічних ланцюгів на їх a-вуглець. Унікальні фізико-хімічні властивості поліпептидів і білків визначаються їх унікальним поєднанням бічних ланцюгів амінокислот та їх взаємодією всередині і між поліпептидами. Таким чином первинна структура відображає генетичні основи поліпептидної та білкової функції. Структури вищого порядку, що враховують функціональні мотиви та домени зрілого білка, походять від його первинної структури. Крістіан Анфінсен виграв половину частки Нобелівської премії з хімії 1972 року за демонстрацію того, що так було для ферменту рибонуклеази (Стенфорд Мур і Вільям Х. Штейн заробили свою частку премії за зв'язок структури активного сайту ферменту з його каталітичною функцією). Дивіться Нобелівську премію 1972 року з хімії для більше.
B. Вторинна структура
Вторинна структура відноситься до високоправильних локальних структур всередині поліпептиду (наприклад, спіралі) і всередині або між поліпептидами (b-плісировані листи). Лінус Паулінг та колеги запропонували ці два типи вторинної структури в 1951 році. Трохи історії Лінуса Полінга буде актуальною тут! До 1932 року Паулінг розробив свою шкалу електронегативності елементів, які могли передбачити силу атомних зв'язків в молекулах. Він багато в чому сприяв нашому розумінню атомних орбіталей, а пізніше в структуру біологічних молекул. За цю роботу він отримав Нобелівську премію з хімії 1954 року. Пізніше він та його колеги виявили, що серповидноклітинна анемія пов'язана з аномальним гемоглобіном, і продовжували прогнозувати вторинну структуру білків альфа-спіральної та плісированої аркушів. Хоча він не заробив другого Нобелівського за ці нові дослідження молекулярної генетики, він виграв Нобелівську премію миру 1962 року за те, що переконали майже 10 000 вчених клопотати Організацію Об'єднаних Націй про заборону випробувань ядерних бомб в атмосфері. Більш детальний огляд його надзвичайного життя (наприклад, у Linus Pauling-Short Biography) варто прочитати!
Вторинні конформації структури виникають внаслідок спонтанного утворення водневих зв'язків між аміногрупами і киснем уздовж поліпептидного хребта, як показано на двох лівих панелах на малюнку нижче. Зверніть увагу, що бічні ланцюги амінокислот не відіграють значної ролі у вторинній структурі.
А спіраль або b листи є найбільш стійким розташуванням Н-зв'язків в ланцюзі (ах). Ці області впорядкованої вторинної структури в поліпептиді можуть бути розділені різною довжиною менш структурованого пептиду, званого випадковими котушками. Всі три з цих елементів вторинної структури можуть зустрічатися в одному поліпептиді або білку, який склався в його третинну структуру, як показано праворуч на ілюстрації вище. Плісировані листи показані у вигляді стрічок зі стрілками, що представляють полярність аркушів N-to-C або C-to-N. Як бачите, пара пептидних областей, що утворюють плісировані аркуш, можуть робити це або в паралельному, або в антипаралельному напрямках (подивіться на стрілки стрічок), що буде залежати від інших впливів, що диктують складання білка для формування третинної структури. Деякі поліпептиди ніколи не виходять за межі своєї вторинної структури, залишаючись волокнистими і нерозчинними. Кератин, мабуть, найвідоміший приклад волокнистого білка, що складається з волосся, нігтів, пташиного пір'я і навіть ниток цитоскелета. Однак більшість поліпептидів і білків складають і приймають третинну структуру, стаючи розчинними кулястими білками.
C. Третинна структура
Поліпептиди набувають свою третинну структуру, коли гідрофобні та неполярні бічні ланцюги спонтанно збираються разом, щоб виключити воду, що сприяє утворенню сольових містків і Н-зв'язків між полярними бічними ланцюгами, які опиняються всередині кулястого поліпептиду. Таким чином, спіралі або b листи складаються і включаються в кулясті форми. Сили, які співпрацюють для формування та стабілізації тривимірних поліпептидних та білкових структур, проілюстровані нижче.
Полярні (гідрофільні) бічні ланцюги, які не можуть знайти інших партнерів з боку ланцюга, зазвичай знаходяться на зовнішній поверхні «глобули», де вони взаємодіють з водою і таким чином розчиняють білок (відкликати воду гідратації). Виходячи з нековалентних зв'язків, третинні структури, тим не менш, міцні просто через велику кількість інакше слабких взаємодій, які їх утворюють. Тим не менш, ковалентні дисульфідні зв'язки між амінокислотами цистеїну в поліпептиді (показано вище) можуть додатково стабілізувати третинну структуру. Дисульфідні зв'язки (мости) утворюються, коли цистеїни далеко один від одного в первинній структурі молекули опиняються поруч один від одного в складчастому поліпептиді. Потім групи —SH (сульфгідрил) в бічних ланцюгах цистеїну окислюються, утворюючи дисульфідні (—S-S-) зв'язки.
Реакція окислення сульфгідрилу показана нижче.
134 Третинний білок (30) Структура
135 дисульфідних мостів стабілізують структуру 30%
Щоб краще зрозуміти, як дисульфідні мости можуть підтримувати тривимірну структуру білка, просто уявіть його фізичне та хімічне середовище. Зміна температури або концентрації солі навколо білка може порушити нековалентні зв'язки, що беруть участь у тривимірній формі активного білка. Не піддаючись цим змінам, дисульфідні мости обмежують порушення і дозволяють білку правильно і швидко складатися, коли умови повертаються до норми (подумайте про гомеостаз!).