Рентгеноструктурного кристалографія вирішує дві головні проблеми білкової хімії : Закономірності чергування послідовності амінокислотних залишків у поліпептидному ланцюзі і закономірності зміни білкової молекули .

перші рентгенограми білків , Отримані ще в 30-х роках У. Астбю-ри, а потім Л. Полингом і Р. Корі, дозволили встановити наявність у білках поряд з лінійною поліпептидного ланцюгом ділянок, певним чином скручених.

під вторинної структурою білка мають на увазі конфігурацію поліпептидного ланцюга, т. е. спосіб згортання, скручування (складання, упаковка) поліпептидного ланцюга в спіральну або будь-яку іншу конформацію. Процес цей протікає не хаотично, а відповідно до програми, закладеної в первинній структурі. Детально вивчені дві основні конфігурації поліпептидних ланцюгів, що відповідають структурним вимогам і експериментальними даними: α-спіралі і β-структури.

Завдяки дослідженням Л. Полінга найбільш імовірним типом будови глобулярних білків прийнято вважати α-спіраль (рис. 1.17). Закручування поліпептидного ланцюга відбувається за годинниковою стрілкою (правий хід спіралі ), Що обумовлено L-амінокислотним складом природних білків . Рушійною силою у виникненні α-спіралей (так само як і β-структур) є здатність амінокислот до утворення водневих зв'язків . У структурі α-спіралей відкритий ряд закономірностей. На кожен виток (крок) спіралі припадає 3,6 амінокислотних залишку. крок спіралі (Відстань уздовж осі) дорівнює 0,54 нм на виток, а на один амінокислотний залишок припадає 0,15 нм. кут підйому спіралі 26 °, через 5 витків спіралі (18 амінокислотних залишків) структурна конфігурація поліпептидного ланцюга повторюється. Це означає, що період повторюваності (або ідентичності) α-спіральної структури становить 2,7 нм.

Для кожного білка характерна певна ступінь спирализации його поліпептидного ланцюга. Ступінь спирализации встановлюють шляхом вимірювання питомої обертання площини поляризованого світла. Зміна останнього знаходиться в прямій залежності від ступеня спирализации білкової молекули . Не всі глобулярні білки спіралізують на всьому протязі поліпептидного ланцюга. В молекулі білка α-спіральні ділянки чергуються з лінійними. Зокрема, якщо α- і β-ланцюга гемоглобіну спіралізують, наприклад, на 75%, то лізоциму - на 42%, а пепсину - всього на 30%.

Мал. 1.17. Структура і параметри α-спіралі.

Таким чином, стабільність вторинної структури забезпечується в основному водневими зв'язками (Певний внесок вносять і головно-валентні зв'язки - пептидні і дисульфідні).

воднева зв'язок є слабка електростатичне тяжіння (взаємодія, зв'язок) між одним електронегативним атомом (Наприклад, киснем або азотом ) І водневим атомом , Кова-лентно пов'язаним з другим електронегативним атомом . типи водневих зв'язків представлені далі.

За сучасними уявленнями, воднева зв'язок включає не тільки електростатичні сили тяжіння між полярними групами (взаємодія атомів водню з електронегативними елементами: киснем , азотом , хлором ), А й електронні зв'язку такого ж типу, як в ряді комплексних сполук . водневі зв'язку , Будучи нековалентними, відрізняються малою міцністю . Так, якщо для розриву хімічних міжатомних зв'язків необхідно затратити від 84 до 8400 кДж, то для розриву однієї водневого зв'язку потрібно затратити всього лише 6,3 кДж на 1 моль . Оскільки в білкової молекулі число водневих зв'язків дуже велике (в освіту водневих зв'язків залучені всі пептидні групи), вони в сумі забезпечують скручування поліпептидного ланцюга в спіральну структуру, повідомляючи їй компактність і стабільність.

механізм виникнення водневих зв'язків в елементарній формі може бути представлений на прикладі взаємодії двох молекул води (Диполі). У диполі води , Як відомо, надлишок позитивних зарядів доводиться на атоми водню , А надлишок негативних - на атоми кисню .

Завдяки особливостям будови атома водню при достатньому зближенні двох молекул води виникає електростатичне взаємодія між атомом кисню однією молекули і атомом водню другий молекули води . Наслідком цього є ослаблення зв'язку між атомами водню і кисню в кожній молекулі води і відповідно виникнення нової, неміцною зв'язку (відзначена пунктиром) між атомом водню першій молекули і атомом кисню другий молекули води . Цю неміцну зв'язок прийнято позначати водневої зв'язком .

У білкової молекулі найбільш важливі водневі зв'язку утворюються між ковалентно зв'язаним атомом водню , Що несе частковий позитивний заряд, і негативно зарядженим ковалентно зв'язаним атомом кисню . Нижче представлені приклади водневих зв'язків в білкової молекулі : А) між пептидними ланцюгами; б) між двома гідроокис-сильними групами; в) між іонізованої СООН-групою і ОН-групою тирозину ; г) між ОН-групою серина і пептидного зв'язком .

Залежно від хімічної природи атома-акцептора водневі зв'язку відрізняються один від одного ступенем міцності . Про кількість водневих зв'язків в білкової молекулі судять за даними ізотопного методу, зокрема за часом обміну атомів водню , Що беруть участь в утворенні водневого зв'язку , на дейтерій (При обробці білка важкою водою D2O, в якій замість звичайного водню міститься його важкий ізотоп дейтерій ).

Інший тип конфігурації поліпептидних ланцюгів, виявлений в білках волосся, шовку, м'язів і в інших фібрилярних білках , Отримав назву β-структури. У цьому випадку дві або більше лінійні поліпептидні ланцюги, розташовані паралельно або, частіше, антипараллельно, міцно зв'язуються межцепочечних водневими зв'язками між NH-і СО-групами сусідніх ланцюгів, утворюючи структуру типу складчастого шару (рис. 1.18).

Мал. 1.18. β-Структура поліпептидних ланцюгів.

У природі існують білки , Будова яких, однак, не відповідає ні β-, ні α-структурі. Типовим прикладом таких білків є колаген - фібрилярний білок , Що становить основну масу сполучної тканини в організмі людини і тварин (див. розділ 21).

Методами рентгеноструктурного аналізу в даний час доведено існування ще двох рівнів структурної організації білкової молекули , Що опинилися проміжними між вторинної і третинної структурами. Це так звані надвторічние структури і структурні домени .

Надвторічние структури являють собою агрегати поліпептидних ланцюгів, що володіють власною вторинної структурою і утворюються в деяких білках в результаті їх термодинамічної або кінетичної стабільності. Так, в глобулярних білках відкриті (βхβ) -елементи (представлені двома паралельними β-ланцюгами, пов'язаними сегментом х), βαβαβ-елементи (представлені двома сегментами α-спіралі, вставленими між трьома паралельними β-ланцюгами) і ін. У великих глобулярних білках іноді містяться неоднакові структурні домени , Що виконують різні функції, як і однотипні домени в межах одного мономерного білка , Що утворюються, найімовірніше, як результат впливу генів в першому випадку або дуплікації генів - у другому. Домени створюються об'єднанням і чергуванням α-спіралей і β-шарів, між якими відкриваються більш пухкі структури (рис. 1.19).

домен - це компактна глобулярна структурна одиниця всередині поліпептидного ланцюга. Домени можуть виконувати різні функції і піддаватися складанню (згортання) в незалежні компактні глобулярні структурні одиниці, з'єднані між собою гнучкими ділянками всередині білкової молекули . відкрито багато білків (Наприклад, імуноглобуліни ), Що складаються з різних за структурою і функціями доменів , Кодованих різними генами .

Попередня сторінка | Наступна сторінка
ЗМІСТ

Ще по темі: