Белки: уровни структуры
Первичная и вторичная структура
linkОпора
- Урок 378. Пептиды: пептидная связь и синтез — планировать синтез дипептида с защитами
- Урок 9. Межмолекулярные взаимодействия — определять, какие силы действуют между молекулами вещества
Последовательность аминокислот (урок 379) определяет, как цепь белка свернётся в пространстве. Пептидные группы (урок 378) образуют друг с другом водородные связи (урок 9), и цепь укладывается так, чтобы таких связей было как можно больше. Регулярные участки, которые при этом возникают, называют вторичной структурой.
Как описать уровни структуры
- Первичная структура — последовательность остатков от N-конца к C-концу вместе с положением дисульфидных мостиков.
- Вторичная структура — регулярная укладка основной цепи. В α-спирали группа C=O каждого остатка образует водородную связь с группой N–H остатка, стоящего на четыре позиции дальше; на виток приходится 3,6 остатка, шаг спирали 5,4 Å, то есть 1,5 Å на остаток. В β-слое водородные связи соединяют соседние вытянутые участки цепи.
- Пролин (у него нет связи N–H, а цикл делает цепь жёсткой) и глицин (его цепь слишком гибкая) нарушают α-спираль, зато часто встречаются в поворотах цепи.
- Оцените размеры: длина α-спирали из n остатков — около 1,5·n Å, а вытянутая β-цепь — около 3,4 Å на остаток.
Примеры
1. Длина спирали. Спираль из 36 остатков содержит \(36/3{,}6 = 10\) витков, и её длина равна \(10 \cdot 0{,}54 = 5{,}4\) нм.
2. Коллаген. Коллаген — тройная спираль из трёх цепей с повторяющимся фрагментом Gly-X-Y, где X и Y — чаще всего пролин \(\ce{C5H9NO2}\) и гидроксипролин. Для гидроксилирования пролина нужен витамин C, поэтому при его недостатке коллаген получается непрочным (цинга).
errorβ-Слой может образовать и одна цепь
Если цепь несколько раз поворачивает обратно, её соседние участки лежат рядом и связываются водородными связями. Такие участки бывают параллельными и антипараллельными; в антипараллельном β-слое водородные связи прямее и прочнее.
edit_noteПопробуйте сами
Сколько витков у α-спирали из 18 остатков?
expand_moreПоказать решение
\(18/3{,}6 = 5\) витков.
Третичная, четвертичная структура и денатурация
Глобулярный белок в воде похож на каплю масла: неполярные боковые цепи собираются внутри, а полярные и заряженные остаются на поверхности. Укладку дополнительно скрепляют дисульфидные мостики и взаимодействия боковых цепей. Если эти взаимодействия разрушить, белок теряет пространственную структуру — денатурирует.
Как объяснить укладку белка
- Гидрофобные боковые цепи (Leu, Ile, Val, Phe) уходят внутрь глобулы, а полярные и заряженные остаются снаружи, в контакте с водой.
- Третичную структуру поддерживают гидрофобные взаимодействия, солевые мостики между противоположно заряженными боковыми цепями (\(\ce{Lys+}\)···\(\ce{Asp-}\)), водородные связи боковых цепей и дисульфидные связи.
- Четвертичная структура — объединение нескольких полипептидных цепей (субъединиц) нековалентными силами; например, гемоглобин состоит из двух α- и двух β-цепей (α₂β₂).
- При денатурации разрываются нековалентные взаимодействия, а в присутствии восстановителя — и дисульфидные мостики; первичная структура сохраняется. Мочевина конкурирует за водородные связи, а детергент SDS (додецилсульфат натрия) — за гидрофобные контакты.
Примеры
1. Опыт Анфинсена. Рибонуклеаза в 8 M растворе мочевины \(\ce{(NH2)2CO}\) с 2-меркаптоэтанолом (уравнение выше) разворачивается и теряет активность. Когда реагенты удаляют, цепь сворачивается обратно и восстанавливает активность: вся информация об укладке заключена в последовательности.
2. Серповидноклеточная анемия. В β-цепи гемоглобина остаток Glu6 заменён на Val: заряженная боковая цепь \(\ce{-CH2CH2COO^-}\) сменяется гидрофобной \(\ce{-CH(CH3)2}\). Одной замены в первичной структуре достаточно, чтобы молекулы гемоглобина слипались в длинные волокна.
errorЧетвертичная структура бывает только у многоцепочечных белков
Миоглобин — одна цепь из 153 остатков, и у него есть только третичная структура; гемоглобин состоит из четырёх цепей, поэтому у него есть и четвертичная. Размер белка сам по себе уровень структуры не определяет.
edit_noteПопробуйте сами
Зачем в опыте Анфинсена к мочевине добавляли 2-меркаптоэтанол?
expand_moreПоказать решение
Мочевина разрывает нековалентные связи, но не дисульфидные мостики; 2-меркаптоэтанол восстанавливает дисульфиды –S–S– до групп SH, и цепь разворачивается полностью.
push_pinГлавное
Первичная структура — последовательность аминокислот (пептидные связи, дисульфиды). Вторичная — регулярные участки, закреплённые водородными связями C=O···H–N основной цепи: α-спираль (правая, 3,6 остатка на виток, шаг 5,4 Å, связь C=O остатка i с N–H остатка i + 4) и β-складчатый слой (параллельный или антипараллельный); пролин и глицин спираль нарушают. Третичная — укладка всей цепи: гидрофобное ядро, солевые мостики, водородные связи боковых цепей, дисульфиды. Четвертичная — ассоциация субъединиц (гемоглобин α₂β₂). Денатурация (нагревание, мочевина, крайние pH, детергенты) разрушает уровни выше первичного; опыт Анфинсена: после удаления мочевины и восстановителя рибонуклеаза сама сворачивается правильно — укладку определяет последовательность. Средняя масса остатка около 110 Да.
Закрепите теорию: 8 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.