Гемоглобин имеет четвертичную структуру белка
Содержание статьи
Мир науки
Белки, построенные из одной полипептидной цепи, имеют только третичную структуру. Но много белков состоят из нескольких идентичных или неидентичных полипептидных цепей, каждая из которых имеет свою третичную
конформацию. Объединяясь, они образуют единый функциональный комплекс с высоким уровнем организации-четвертичную структуру белка (рис. 17).
Белки, имеющие четвертичную структуру, называют олигомерных-ми. Каждый отдельный полипептидная цепь в составе олигомерного белка называется протомеры, или субъединицей. Некоторые авторы термином «субъединица» называют только ту часть молекулы, которой свойственна функциональная активность. Она может быть представлена как одним протомеры, так и несколькими. Например, у белка из четырех одинаковых субъединиц (а4) протомеры является мономер а, а белок из двух типов субъединиц (а4в4) имеет 2 протомеры состав авто. Олигомерные белки чаще построены из четного числа прото-мэров — от 2 до 4 (диммеры, тетрамеры), реже от 6 до 8, 10, 12 и более с молекулярной массой в пределах от нескольких тысяч до 100000 дальтон. Олигомерные белки представляют собой неделимое целое и выполняют биологические функции, несвойственные отдельно взятым субъединиц. При действии на белки с четвертичной структурной организацией различных физических или химических факторов (мочевина, концентрированные растворы нейтральных солей, органические растворители, детергенты, изменение рН среды и т.д.) наблюдается диссоциация их на отдельные субъединицы. При этом разрываются связи, стабилизирующие четвертичную структуру. Диссоциация часто бывает обратимой: после удаления соответствующего агента субъединицы соединяются между собой и четвертичная структура восстанавливается. В этом процессе важно, что при восстановлении структуры олигомерного белка восстанавливается и его биологическая активность. В клетке существует определенное равновесие диссоциации некоторых олигомерных белков, при которой сохраняется содержимое олигомера и его субъединиц в сравниваемых количествах. У белков с четвертичным уровнем организации не меняется основная конформация начальных третичных структур (глобулярная или фибриллярные). Например, гемоглобин — это белок, имеющий четвертичную структуру и состоит из четырех субъединиц. Каждая субъединиц — глобулярный белок и в целом гемоглобин также глобулярную конформацию. Кератина — белка волос и шерсти, которые по третичной структурой относятся к фибриллярных белков, имеют фиб-рилярну конформацию четвертичной структуры.
Итак, четвертичная структура белка — это способ взаимного расположения в пространстве отдельных полипептидных цепей в молекуле, а также характер связи между ними.
Четвертичная структура стабилизируется и поддерживается в натив-ном состоянии, в основном за счет слабых нековалентных связей (ионных и водородных) и гидрофобных взаимодействий, возникающих между различными функциональными группами, расположенными на поверхности суб-единиц. При этом субъединицы взаимодействуют между собой не любой частью своей поверхности, а определенным участком — контактами или площадкой. Контактные участки образуют десятки связей. Процесс самособирание отличается высокой специфичностью. Протомеры определенного четвертичного белка «находят» и «узнают» друг друга, сочетаясь только между собой. Каждый протомеры взаимодействует с другим в десятках точек, поэтому ошибочное сообщение практически невозможно. Взаимное узнавание протомеры обусловлено особой структурой контактных участков, богатых гидрофобные аминокислотные остатки («липкие» пятна), которые при соединении протомеры образуют гидрофобное ядро олигомерного белка. При этом контактируют ризноименно заряженные ионные группы и группы, способные образовывать водородные связи или гидрофобные взаимодействия. Если в третичной структуре одного из протомеры есть выступ, то у другого — в соответствующем месте — углубление, в которое при контакте входит выступление. Такие взаемовидповидни контактные поверхности называют комплементарными, они ориентируются друг на друга по типу «ключ-замок». Таким образом, взаимодействие между контактными поверхностями протомеры происходит по принципу ком-ментарности — универсальным принципом, характерным живой природе. Комплементарные взаимодействия молекул (не только белковых) составляют основу многих биохимических процессов в организме.
Понятие о четвертичную структуру приобрел особое значение в последние годы. Выяснилось, что, например, в гемоглобине и в некоторых ферментов субъединицы структурно зависят друг от друга. Так, модификация любой субъединицы приводит к изменениям в третичной структуре других субъединиц, что проявляется в особенностях их биологической функции. Четвертичной структуры принадлежит большая роль в регуляции биологической активности белков, поскольку она очень чувствительна к внешним условиям (концентрация веществ, рН, ионный состав, наличие биологически активных соединений и т.д.). Незначительные отклонения со стороны этих факторов вызывают изменения взаиморасположения субъединиц и в связи с этим — изменения биологической активности белка. Это явление является одним из основных механизмов регуляции обмена веществ (метаболизма), поскольку многие ферменты и некоторые другие биологически активные белки имеют четвертичную структуру.
Совокупное использование, главным образом, РСА (рентгенострукту-рного анализа) и электронной микроскопии, а также других методов (определения молекулярной массы, электрофорез, денатурацийни исследования и т.д.) позволило установить четвертичную структуру нескольких сотен белков, в том числе ферментов альдолазы , пируват-киназы, лактатдегидрогеназы и многих других. Примером белка с четвертичной структурой является фермент глутаматдегидрогеназы, молекула которого состоит из 8 идентичных субъединиц. Диссоциация их достигается простым разбавлением среды. Другой пример: фермент лактатдегидрогеназа содержит четыре субъединицы (типа Н и М), различные сочетания которых образуют разные молекулы изоэнзимов. Фермент приобретает активности лишь при сочетании четырех субъединиц, причем различные типы соединений отличаются и степенью биологической активности. Оболочку некоторых вирусов образуют белки, в состав которых входит огромное количество субъединиц. Так, оболочка вируса табачной мозаики состоит из 2130 одинаковых субъединиц, которые располагаются вокруг одной молекулы рибонуклеиновой кислоты по типу винтовой лестницы. Классическим примером белков с четвертичной структурой является гемоглобин, молекула которого построена из 4 субъединиц: двух а-и двух ß-полипептидных цепей. Эти цепи образуют чрезвычайно упорядоченную и компактную структуру. Гемоглобин имеет 4 гемогрупы, и представляет собой уникальный образец взаимоотношений между молекулярной структурой и функцией белка. Главная функция гемоглобина состоит в переносе кислорода из легких в ткани. Английский биохимик М.Перутц убедительно доказал, что в процессе выполнения своей функции, т.е. при присоединении и потере гемоглобином кислорода, конформация четвертичной структуры испытывает закономерных изменений: связывание кислорода сопровождается сжатием молекулы (между двумя ß-полипептидными цепями) за счет сближения отдельных ее участков. Отдача же кислорода приводит к соответствующему увеличению объема молекулы. Таким образом, молекула гемоглобина, по образному выражению академика В.О.Енгельгардта, будто дышит, сжимаясь и расширяясь подобно тому, как сжимается и расправляется при дыхании наша грудная клетка. Кроме того, четыре субъединицы гемоглобина функционируют кооперативно, т.е. изменения в одной субъединицы при присоединении кислорода, вызов изменений во второй и так далее, что облегчает постадийное связывания кислорода. Разновидностью четвертичной структуры считают также доменные белки. Они, как и олигомерные, содержащие значительной мере обособленные зоны (участки, маленькие глобулы) — домены, подобные протомеры. Однако в доменных белков эти зоны (глобулы) образуются одним поли-пептидной цепи (см. выше), а сами домены соединяются между собой этим же цепью (короткими перемычками). Домены в белках, кроме пептидных перемычек, соединены еще и слабыми связями, как протомеры в олигомерных белках. Для разделения доменов в белках необходимо приложить больше усилий, чем для диссоциации олигомер-ных белков на протомеры, что связано с разрывом устойчивых пептидных связей в перемычке. Считают, что доменные белки по функциональным свойствам подобные олигомерных белков.
Таким образом, современные методы изучения глобулярных и фибриляр-ных белков свидетельствуют, что для каждого индивидуального белка характерна своя пространственная структура. Первичная структура белка имеет особый биологический смысл, поскольку она определяет все остальные уровни организации. Как увидим далее, в наследственном аппарате заложена информация только о первичной структуре белка. Первичная структура начинает другие уровни структурной организации, образуются самопроизвольно.
В медицине широко используются фармпрепараты белковой природы: ферменты, гормоны, вакцины, сыворотки, белковые препараты крови, тканей и др.. Поэтому работникам в области фармации необходимо знать правила их хранения, методы контроля, признаки недоброкачественности т.д..
Источник
Лекция № 3. Строение и функции белков. Ферменты
Строение белков
Белки — высокомолекулярные органические соединения, состоящие из остатков α-аминокислот.
В состав белков входят углерод, водород, азот, кислород, сера. Часть белков образует комплексы с другими молекулами, содержащими фосфор, железо, цинк и медь.
Белки обладают большой молекулярной массой: яичный альбумин — 36 000, гемоглобин — 152 000, миозин — 500 000. Для сравнения: молекулярная масса спирта — 46, уксусной кислоты — 60, бензола — 78.
Аминокислотный состав белков
Белки — непериодические полимеры, мономерами которых являются α-аминокислоты. Обычно в качестве мономеров белков называют 20 видов α-аминокислот, хотя в клетках и тканях их обнаружено свыше 170.
В зависимости от того, могут ли аминокислоты синтезироваться в организме человека и других животных, различают: заменимые аминокислоты — могут синтезироваться; незаменимые аминокислоты — не могут синтезироваться. Незаменимые аминокислоты должны поступать в организм вместе с пищей. Растения синтезируют все виды аминокислот.
В зависимости от аминокислотного состава, белки бывают: полноценными — содержат весь набор аминокислот; неполноценными — какие-то аминокислоты в их составе отсутствуют. Если белки состоят только из аминокислот, их называют простыми. Если белки содержат помимо аминокислот еще и неаминокислотный компонент (простетическую группу), их называют сложными. Простетическая группа может быть представлена металлами (металлопротеины), углеводами (гликопротеины), липидами (липопротеины), нуклеиновыми кислотами (нуклеопротеины).
Все аминокислоты содержат: 1) карбоксильную группу (–СООН), 2) аминогруппу (–NH2), 3) радикал или R-группу (остальная часть молекулы). Строение радикала у разных видов аминокислот — различное. В зависимости от количества аминогрупп и карбоксильных групп, входящих в состав аминокислот, различают: нейтральные аминокислоты, имеющие одну карбоксильную группу и одну аминогруппу; основные аминокислоты, имеющие более одной аминогруппы; кислые аминокислоты, имеющие более одной карбоксильной группы.
Аминокислоты являются амфотерными соединениями, так как в растворе они могут выступать как в роли кислот, так и оснований. В водных растворах аминокислоты существуют в разных ионных формах.
Пептидная связь
Пептиды — органические вещества, состоящие из остатков аминокислот, соединенных пептидной связью.
Образование пептидов происходит в результате реакции конденсации аминокислот. При взаимодействии аминогруппы одной аминокислоты с карбоксильной группой другой между ними возникает ковалентная азот-углеродная связь, которую и называют пептидной. В зависимости от количества аминокислотных остатков, входящих в состав пептида, различают дипептиды, трипептиды, тетрапептиды и т.д. Образование пептидной связи может повторяться многократно. Это приводит к образованию полипептидов. На одном конце пептида находится свободная аминогруппа (его называют N-концом), а на другом — свободная карбоксильная группа (его называют С-концом).
Пространственная организация белковых молекул
Выполнение белками определенных специфических функций зависит от пространственной конфигурации их молекул, кроме того, клетке энергетически невыгодно держать белки в развернутой форме, в виде цепочки, поэтому полипептидные цепи подвергаются укладке, приобретая определенную трехмерную структуру, или конформацию. Выделяют 4 уровня пространственной организации белков.
Первичная структура белка — последовательность расположения аминокислотных остатков в полипептидной цепи, составляющей молекулу белка. Связь между аминокислотами — пептидная.
Если молекула белка состоит всего из 10 аминокислотных остатков, то число теоретически возможных вариантов белковых молекул, отличающихся порядком чередования аминокислот, — 1020. Имея 20 аминокислот, можно составить из них еще большее количество разнообразных комбинаций. В организме человека обнаружено порядка десяти тысяч различных белков, которые отличаются как друг от друга, так и от белков других организмов.
Именно первичная структура белковой молекулы определяет свойства молекул белка и ее пространственную конфигурацию. Замена всего лишь одной аминокислоты на другую в полипептидной цепочке приводит к изменению свойств и функций белка. Например, замена в β-субъединице гемоглобина шестой глутаминовой аминокислоты на валин приводит к тому, что молекула гемоглобина в целом не может выполнять свою основную функцию — транспорт кислорода; в таких случаях у человека развивается заболевание — серповидноклеточная анемия.
Вторичная структура — упорядоченное свертывание полипептидной цепи в спираль (имеет вид растянутой пружины). Витки спирали укрепляются водородными связями, возникающими между карбоксильными группами и аминогруппами. Практически все СО- и NН-группы принимают участие в образовании водородных связей. Они слабее пептидных, но, повторяясь многократно, придают данной конфигурации устойчивость и жесткость. На уровне вторичной структуры существуют белки: фиброин (шелк, паутина), кератин (волосы, ногти), коллаген (сухожилия).
Третичная структура — укладка полипептидных цепей в глобулы, возникающая в результате возникновения химических связей (водородных, ионных, дисульфидных) и установления гидрофобных взаимодействий между радикалами аминокислотных остатков. Основную роль в образовании третичной структуры играют гидрофильно-гидрофобные взаимодействия. В водных растворах гидрофобные радикалы стремятся спрятаться от воды, группируясь внутри глобулы, в то время как гидрофильные радикалы в результате гидратации (взаимодействия с диполями воды) стремятся оказаться на поверхности молекулы. У некоторых белков третичная структура стабилизируется дисульфидными ковалентными связями, возникающими между атомами серы двух остатков цистеина. На уровне третичной структуры существуют ферменты, антитела, некоторые гормоны.
Четвертичная структура характерна для сложных белков, молекулы которых образованы двумя и более глобулами. Субъединицы удерживаются в молекуле благодаря ионным, гидрофобным и электростатическим взаимодействиям. Иногда при образовании четвертичной структуры между субъединицами возникают дисульфидные связи. Наиболее изученным белком, имеющим четвертичную структуру, является гемоглобин. Он образован двумя α-субъединицами (141 аминокислотный остаток) и двумя β-субъединицами (146 аминокислотных остатков). С каждой субъединицей связана молекула гема, содержащая железо.
Если по каким-либо причинам пространственная конформация белков отклоняется от нормальной, белок не может выполнять свои функции. Например, причиной «коровьего бешенства» (губкообразной энцефалопатии) является аномальная конформация прионов — поверхностных белков нервных клеток.
Свойства белков
Купить проверочные работы
по биологии
Аминокислотный состав, структура белковой молекулы определяют его свойства. Белки сочетают в себе основные и кислотные свойства, определяемые радикалами аминокислот: чем больше кислых аминокислот в белке, тем ярче выражены его кислотные свойства. Способность отдавать и присоединять Н+ определяют буферные свойства белков; один из самых мощных буферов — гемоглобин в эритроцитах, поддерживающий рН крови на постоянном уровне. Есть белки растворимые (фибриноген), есть нерастворимые, выполняющие механические функции (фиброин, кератин, коллаген). Есть белки активные в химическом отношении (ферменты), есть химически неактивные, устойчивые к воздействию различных условий внешней среды и крайне неустойчивые.
Внешние факторы (нагревание, ультрафиолетовое излучение, тяжелые металлы и их соли, изменения рН, радиация, обезвоживание)
могут вызывать нарушение структурной организации молекулы белка. Процесс утраты трехмерной конформации, присущей данной молекуле белка, называют денатурацией. Причиной денатурации является разрыв связей, стабилизирующих определенную структуру белка. Первоначально рвутся наиболее слабые связи, а при ужесточении условий и более сильные. Поэтому сначала утрачивается четвертичная, затем третичная и вторичная структуры. Изменение пространственной конфигурации приводит к изменению свойств белка и, как следствие, делает невозможным выполнение белком свойственных ему биологических функций. Если денатурация не сопровождается разрушением первичной структуры, то она может быть обратимой, в этом случае происходит самовосстановление свойственной белку конформации. Такой денатурации подвергаются, например, рецепторные белки мембраны. Процесс восстановления структуры белка после денатурации называется ренатурацией. Если восстановление пространственной конфигурации белка невозможно, то денатурация называется необратимой.
Функции белков
| Функция | Примеры и пояснения |
|---|---|
| Строительная | Белки участвуют в образовании клеточных и внеклеточных структур: входят в состав клеточных мембран (липопротеины, гликопротеины), волос (кератин), сухожилий (коллаген) и т.д. |
| Транспортная | Белок крови гемоглобин присоединяет кислород и транспортирует его от легких ко всем тканям и органам, а от них в легкие переносит углекислый газ; в состав клеточных мембран входят особые белки, которые обеспечивают активный и строго избирательный перенос некоторых веществ и ионов из клетки во внешнюю среду и обратно. |
| Регуляторная | Гормоны белковой природы принимают участие в регуляции процессов обмена веществ. Например, гормон инсулин регулирует уровень глюкозы в крови, способствует синтезу гликогена, увеличивает образование жиров из углеводов. |
| Защитная | В ответ на проникновение в организм чужеродных белков или микроорганизмов (антигенов) образуются особые белки — антитела, способные связывать и обезвреживать их. Фибрин, образующийся из фибриногена, способствует остановке кровотечений. |
| Двигательная | Сократительные белки актин и миозин обеспечивают сокращение мышц у многоклеточных животных. |
| Сигнальная | В поверхностную мембрану клетки встроены молекулы белков, способных изменять свою третичную структуру в ответ на действие факторов внешней среды, таким образом осуществляя прием сигналов из внешней среды и передачу команд в клетку. |
| Запасающая | В организме животных белки, как правило, не запасаются, исключение: альбумин яиц, казеин молока. Но благодаря белкам в организме могут откладываться про запас некоторые вещества, например, при распаде гемоглобина железо не выводится из организма, а сохраняется, образуя комплекс с белком ферритином. |
| Энергетическая | При распаде 1 г белка до конечных продуктов выделяется 17,6 кДж. Сначала белки распадаются до аминокислот, а затем до конечных продуктов — воды, углекислого газа и аммиака. Однако в качестве источника энергии белки используются только тогда, когда другие источники (углеводы и жиры) израсходованы. |
| Каталитическая | Одна из важнейших функций белков. Обеспечивается белками — ферментами, которые ускоряют биохимические реакции, происходящие в клетках. Например, рибулезобифосфаткарбоксилаза катализирует фиксацию СО2 при фотосинтезе. |
Ферменты
Ферменты, или энзимы, — особый класс белков, являющихся биологическими катализаторами. Благодаря ферментам биохимические реакции протекают с огромной скоростью. Скорость ферментативных реакций в десятки тысяч раз (а иногда и в миллионы) выше скорости реакций, идущих с участием неорганических катализаторов. Вещество, на которое оказывает свое действие фермент, называют субстратом.
Ферменты — глобулярные белки, по особенностям строения ферменты можно разделить на две группы: простые и сложные. Простые ферменты являются простыми белками, т.е. состоят только из аминокислот. Сложные ферменты являются сложными белками, т.е. в их состав помимо белковой части входит группа небелковой природы — кофактор. У некоторых ферментов в качестве кофакторов выступают витамины. В молекуле фермента выделяют особую часть, называемую активным центром. Активный центр — небольшой участок фермента (от трех до двенадцати аминокислотных остатков), где и происходит связывание субстрата или субстратов с образованием фермент-субстратного комплекса. По завершении реакции фермент-субстратный комплекс распадается на фермент и продукт (продукты) реакции. Некоторые ферменты имеют (кроме активного) аллостерические центры — участки, к которым присоединяются регуляторы скорости работы фермента (аллостерические ферменты).
Для реакций ферментативного катализа характерны: 1) высокая эффективность, 2) строгая избирательность и направленность действия, 3) субстратная специфичность, 4) тонкая и точная регуляция. Субстратную и реакционную специфичность реакций ферментативного катализа объясняют гипотезы Э. Фишера (1890 г.) и Д. Кошланда (1959 г.).
Э. Фишер (гипотеза «ключ-замок») предположил, что пространственные конфигурации активного центра фермента и субстрата должны точно соответствовать друг другу. Субстрат сравнивается с «ключом», фермент — с «замком».
Д. Кошланд (гипотеза «рука-перчатка») предположил, что пространственное соответствие структуры субстрата и активного центра фермента создается лишь в момент их взаимодействия друг с другом. Эту гипотезу еще называют гипотезой индуцированного соответствия.
Скорость ферментативных реакций зависит от: 1) температуры, 2) концентрации фермента, 3) концентрации субстрата, 4) рН. Следует подчеркнуть, что поскольку ферменты являются белками, то их активность наиболее высока при физиологически нормальных условиях.
Большинство ферментов может работать только при температуре от 0 до 40 °С. В этих пределах скорость реакции повышается примерно в 2 раза при повышении температуры на каждые 10 °С. При температуре выше 40 °С белок подвергается денатурации и активность фермента падает. При температуре, близкой к точке замерзания, ферменты инактивируются.
При увеличении количества субстрата скорость ферментативной реакции растет до тех пор, пока количество молекул субстрата не станет равным количеству молекул фермента. При дальнейшем увеличении количества субстрата скорость увеличиваться не будет, так как происходит насыщение активных центров фермента. Увеличение концентрации фермента приводит к усилению каталитической активности, так как в единицу времени преобразованиям подвергается большее количество молекул субстрата.
Для каждого фермента существует оптимальное значение рН, при котором он проявляет максимальную активность (пепсин — 2,0, амилаза слюны — 6,8, липаза поджелудочной железы — 9,0). При более высоких или низких значениях рН активность фермента снижается. При резких сдвигах рН фермент денатурирует.
Скорость работы аллостерических ферментов регулируется веществами, присоединяющимися к аллостерическим центрам. Если эти вещества ускоряют реакцию, они называются активаторами, если тормозят — ингибиторами.
Классификация ферментов
По типу катализируемых химических превращений ферменты разделены на 6 классов:
- оксиредуктазы (перенос атомов водорода, кислорода или электронов от одного вещества к другому — дегидрогеназа),
- трансферазы (перенос метильной, ацильной, фосфатной или аминогруппы от одного вещества к другому — трансаминаза),
- гидролазы (реакции гидролиза, при которых из субстрата образуются два продукта — амилаза, липаза),
- лиазы (негидролитическое присоединение к субстрату или отщепление от него группы атомов, при этом могут разрываться связи С–С, С–N, С–О, С–S — декарбоксилаза),
- изомеразы (внутримолекулярная перестройка — изомераза),
- лигазы (соединение двух молекул в результате образования связей С–С, С–N, С–О, С–S — синтетаза).
Классы в свою очередь подразделены на подклассы и подподклассы. В действующей международной классификации каждый фермент имеет определенный шифр, состоящий из четырех чисел, разделенных точками. Первое число — класс, второе — подкласс, третье — подподкласс, четвертое — порядковый номер фермента в данном подподклассе, например, шифр аргиназы — 3.5.3.1.
Перейти к лекции №2 «Строение и функции углеводов и липидов»
Перейти к лекции №4 «Строение и функции нуклеиновых кислот АТФ»
Смотреть оглавление (лекции №1-25)
Источник