Модель молекули білка. Методи передбачення структури білків

Більше 4 млрд років тому на Землі з невеликих неорганічних молекул незбагненним чином з'явилися білки, що стали будівельними блоками живих організмів. Своєю нескінченною різноманітністю все живе завдячує саме унікальним молекулам білка, і інші форми життя у Всесвіті науці поки невідомі.

Білки, або протеїни (від грец. «Протос» - «перший»), - це природні органічні сполуки, які забезпечують всі життєві процеси будь-якого організму. З білків побудовані кришталик ока і па-утина, панцир черепахи та отруйні речовини грибів... За допомогою білків ми перетравлюємо їжу і боремося із хворобами. Завдяки особливим білкам ночами світяться світлячки, а в глибинах океану мерехтять таємничим світлом медузи.

Білкових молекул у живій клітці у багато разів більше, ніж решти (крім води, зрозуміло!). Вчені з'ясували, що у більшості організмів білки становлять більше половини їх сухої маси. І різноманітність видів білків дуже велика — в одній клітці такого маленького організму, як бактерія Escherichia сой "(див. додатковий нарис "Об'єкт дослідження - прокаріоти"), налічується близько 3 тис. різних білків.

Вперше білок був виділений (у вигляді клейковини) в 1728 р. італійцем Якопо Бартоломео Беккарі (1682 - 1766) з пшеничного борошна. Цю подію прийнято вважати народженням хімії білка. З того часу майже за три століття з природних джерелотримано тисячі різних білків та досліджено їх властивості.

БІОЛОГІЧНІ «БУСИ»

Молекула білка дуже довга. Хіміки називають такі молекули полімерними (від грецьк. «Полі» - «багато» і «мерос» - «частина», «частка»). Дійсно, довга молекула полімеру складається з безлічі маленьких молекул, пов'язаних один з одним. Так нанизуються на нитку бусинки в намисто. У полімерах роль нитки грають хімічні зв'язки між бусин-ками-молекулами.

Секрет білків захований в особливостях цих самих бусинок. Більшість полімерів не набуває стійкої форми в просторі, уподібнюючись до тих самих намистів, у яких і не може бути просторової структури: повісиш їх на шию - вони приймуть форму кільця або овалу, покладеш у коробку - згорнуться в клубок невизначеної форми. А тепер уявімо собі, що деякі намистинки можуть «злипатися» один з одним. Наприклад, червоні притягаються до жовтих. Тоді весь ланцюжок прийме певну форму, зобов'язану своїм існуванням «злипання» жовтих і червоних бусинок

Щось подібне відбувається і у білках. Окремі маленькі моле-кули, що входять до складу білка, мають здатність «злипатися», так як між ними діють сили тяжіння. В результаті у будь-якого білкового ланцюга є характерна тільки для неї просторова структура. Саме вона визначає чудові властивостібілків. Без такої структури вони не могли б виконувати ті функції, які здійснюють у живій клітині.

При тривалому кип'ятінні білків у присутності сильних кислотабо лугів білкові ланцюги розпадаються на складові їх молекули,

Звані амінокислотами. Аміно-кислоти - це і є ті «намистинки», з яких складається білок, і вони влаштовані порівняно просто.

ЯК ВЛАШЕНА АМІНОКИСЛОТА

У кожній молекулі амінокислоти є атом вуглецю, пов'язаний із чотирма замісниками. Один з них — атом водню, другий — карбоксільна група — СООН. Вона легко «відпускає на волю» іон водню Н+, завдяки чому в назві амінокислот і є слово «кислота». Третій заступник - аміногрупа - NH 2 і, нарешті, четвертий заступник - група атомів, яку в загальному випадку позначають R . У всіх амінокислот R-групи різні, і кожна їх грає свою, дуже важливу роль.

Властивості «намистинок», що відрізняють одну амінокислоту від іншої, сховані в R-групах (їх ще називають боковими ланцюгами). Що ж до групи - СООН, то хіміки-органі-ки ставляться до неї з великою повагою: всім іншим атомам вуглецю в молекулі даються позначення в залежності від ступеня їх віддаленості від карбоксильної групи. Найближчий до неї атом називають а-атомом, другий - в-атомом, наступний - у -атомом і т. д. Атом вуглецю в амінокислотах, який знаходиться ближче всіх до карбоксильної групи, тобто а- атом, пов'язаний також з аміногрупою, тому природні амінокислоти, що входять до складу білка, називають а-амінокислотами.

У природі зустрічаються також амінокислоти, в яких NH-група пов'язана з більш віддаленими від карбоксільної групи атомами вуглецю. Однак для побудови білків природа обрала саме а-амінокислоти. Це обумовлено насамперед тим, що тільки а-амінокислоти, з'єднані в довгі ланцюги, здатні забезпечити достатню міцність та стійкість структури великих білкових молекул.

Число а-амінокислот, що відрізняються R-групою, велике. Але найчастіше в білках зустрічається всього 20 різних амінокислот. Їх можна розглядати як алфавіт «мови» білкової молекули. Хіміки називають ці головні амінокислоти стандартними, основними чи нормальними. Умовно основні амінокислоти поділяють на чотири класи.

До першого входять амінокислоти з неполярними бічними ланцюгами. У другій - амінокислоти, що містять полярну групу. Наступні два складають амінокислоти з бічними ланцюгами, які можуть заряджатися позитивно (вони об'єднуються в третій клас) або заперечно (четвертий). Наприклад, диссоціація карбоксильної групи дає аніон - СОО-, а протонування атома азоту - катіон, наприклад - NH 3 + . Бічні ланцюги аспарагінової та глута-мінової кислот мають ще по одній карбоксильній групі —СООН, яка при значеннях рН, характерних для живої клітини (рН = 7), розлучається з іоном водню (Н+) і набуває негативний заряд. Бічні ланцюги амінокислот лізину, аргініну та гістидину заряджені позитивно, оскільки у них є атоми азоту, які, навпаки, можуть іон водню приєднувати.

Кожна а-амінокислота (крім гліцину) в залежності від взаємного розташування чотирьох замісників може існувати у двох формах. Вони відрізняються один від одного, як предмет від свого дзеркального відображення або як права рукавід лівої. Такі з'єднання отримали назву хоральних (від грен. Хір - Рука). Хіральні молекули відкрив у 1848 р. великий французький вчений Луї Пастер. Два типи оптичних ізомерів органічних молекул отримали назви Д-форма (від латів. dexter - «правий») і Z-форма (від латів. laevus - «лівий»). До речі, одна з назв інших хіральних молекул — глюкози та фруктози — декст-троянда та левулоза. Примітно, що до складу білків входять лише Z-амі нокислоти, і все білкове життя Землі — «ліва».

Для нормальної життєдіяльності організм потребує повного набору з 20 основних a-Z-амінокислот. Але одні з них можуть бути синтезовані в клітинах самого організму, а інші - повинні надходити в готовому вигляді з харчових продуктів. У першому випадку амінокислоти називають замінними, а в другому - незамінними. Набір останніх різних організмів різний. Наприклад, для білого щура незамінними є 10 амінокислот, а для молочнокислих бактерій - 16. Рослини можуть самостійно синтезувати найрізноманітніші амінокислоти, створювати такі, які не зустрічаються в білках.

Для зручності 20 головних амінокислот позначають символами, використовуючи одну або перші три літери російської або англійської назви амінокислоти, наприклад аланін - Ала або А, гліцин - Глі або G.

ЩО ТАКЕ ПЕПТИД

Полімерна молекула білка утворюється при з'єднанні в довгу ланцюжок бусинок-амінокислот. Вони нанизуються на нитку хімічних зв'язків завдяки наявним у всіх аміно-кислот аміно-і карбоксильної груп-пам, приєднаним до а-тому вуглецю.

З'єднання, що утворюються в результаті такої реакції, називаються пептидами; (—СО— NH —угруповання у яких — пептидна група, а зв'язок між атомами вуглецю і азоту — пептидний зв'язок (її ще називають амідної). З'єднуючи амінокислоти за допомогою пептидних зв'язків, можна отримати пептиди, що складаються з залишків дуже багатьох амінокислот. Такі сполуки отримали назву поліпептиди, поліпептидну будову білкової молекули довів у 1902 р. німецький хімік Еміль Герман Фішер.

На кінцях амінокислотного ланцюжка знаходяться вільні аміно- та карбоксильна групи; ці кінці ланцюжка називають N- і С-кінцями. Амінокислотні залишки в поліпептидному ланцюжку прийнято нумерувати з N-кінця.

Загальне число амінокислотних залишків в білковій молекулі змінюється в дуже широких межах. Так, людський інсулін складається з 51 амінокислотного залишку, а лізо-цим молока матері-годувальниці — зі 130. У гемоглобіні людини 4 амінокислотні ланцюжки, кожен з яких побудований з приблизно 140 амінокислот. Існують білки, що мають майже 3 тис. амінокислотних залишків в єдиному ланцюзі.

Молекулярні маси білків лежать у діапазоні приблизно від 11 тис. для малих білків, що складаються з 100 амінокислотних залишків, до 1 млн і більше для білків з дуже довгими поліпептидними ланцюгами або для білків, що складаються з декількох поліпептидних ланцюгів.

Виникає питання: як же все величезне різноманіття білків з різними функціями і властивостями може бути створено всього з 20 молекул? А розгадка цього секрету природи проста - кожен білок має свій неповторний амінокислотний склад і унікальний порядок поєднання амінокислот, званий первинною структуроюбілка.

СПИРАЛІ І ШАРИ

На початку 50-х років. XX ст. американські хіміки Лайнус Карл Полінг (1901-1994), нагороджений Нобелівською премією за дослідження природи хімічного зв'язку, і Роберт Корі (1897-1971) припустили, що деякі ділянки амінокислотного ланцюга в білках закручені в білках. Завдяки вдосконаленню екс-периментальних методів (структуру білків вивчають за допомогою рентгенівських променів) через кілька років цей геніальний здогад підтвердився.

Дійсно, поліпептидні ланцюги часто утворюють спіраль, закручену в праву сторону. Це перший, самий низький рівеньпросторової організації білкових ланцюжків Тут-то і починають грати роль слабкі взаємодії «бусинок»-амінокислот: група С = 0 і група N - H з різних пептидних зв'язків можуть утворювати між собою водневий зв'язок. Виявилося, що у відкритій Полінгом і Корі спіралі такий зв'язок утворений між групою С=0 кожної г-ї амінокислоти і групою N - H (i + 4)-й амінокислоти, тобто між собою пов'язані амінокислотні залишки, що віддаляються один від одного на чотири «намистинки». Ці водневі зв'язки і стабілізують таку спіраль загалом. Вона отримала назву a.-спіралі.

Пізніше виявилося, що а-спіраль - не єдиний спосіб укладання амінокислотних ланцюжків. Крім спіралей вони утворюють ще й шари. Завдяки тим самим водневим зв'язкам між групами С=0 і N — H одна з одною можуть «злипатися» відразу кілька різних фрагментів однієї полипептидной ланцюга. У результаті виходить цілий шар - його назвали - шаром.

У більшості білків а-спіралі та р-шари перемежовуються всілякими вигинами та фрагментами ланцюга без будь-якої певної структури. Коли мають справу з просторовою структурою окремих ділянок білка, говорять про вторинну структуру білкової молекули.

БІЛОК У ПРОСТОРІ

Щоб отримати повний «портрет» молекули білка, знання первинної і вторинної структури недостатньо. Ці відомості ще не дають уявлення про обсяг, ні про форму молекули, ні тим більше про розташування ділянок ланцюга по відношенню один до одного. Адже всі спіралі та шари якимось чином розміщені у просторі. Загальна просторова структура поліпептидного ланцюга називається третинної структурою білка.

Перші просторові моделі молекул білка — міоглобіну та гемоглобіну — збудували наприкінці 50-х рр. н. XX ст. англійські біохіміки Джон Ко-Удері Кендрю (народився 1917 р.) та Макс Фердинанд Перуц (народився 1914 р.). При цьому вони використовували дані експериментів з рентгенівськими променями. За дослідження в області будівлі білків Кендрю і Перуц в 1962 р. були удостоєні Нобелівської премії. А наприкінці століття було визначено третинну структуру вже кількох тисяч білків.

При утворенні третинної структури білка виявляють активність R-групи - бічні ланцюги амінокислот. Саме завдяки їм «злипаються» між собою більшість «бусинок»-амінокислот, надаючи ланцюгу певну форму в просторі.

У живому організмі білки завжди знаходяться у водному середовищі. А найбільша кількість основних амінокислот - вісім - містять неполярні R-групи. Зрозуміло, білок прагне надійно сховати всередину своєї молекули неполярні бічні ланцюги, щоб обмежити контакт з водою. Вчені називають це виникненням гідрофобних взаємодій (див. статтю «Найдрібніша одиниця живого»).

Завдяки гідрофобним взаємодіям весь поліпептидний ланцюжок приймає певну форму в просторі, тобто утворює третинну структуру.

У молекулі білка діють і інші сили. Частина бічних ланцюгів основних амінокислот заряджена негативно, а частина - позитивно. Так як негативні заряди притягаються до позитивних, відповідні «намистинки» «злипаються». Електростатичні взаємодії, або, як їх називають інакше, сольові мостики, - ще одна важлива сила, що стабілізує третинну структуру.

У семи основних амінокислот є полярні бічні ланцюги. Між ними можуть виникати водневі зв'язки, які теж відіграють чималу роль у підтримці просторової структури білка.

Між двома амінокислотними залишками цистеїну іноді утворюються ковалентні зв'язки (S - S-), які дуже міцно фіксують розташування різних ділянок білкового ланцюга по відношенню один до одного. Такі зв'язки називають дисуль-фідними містками. Це найнечисленніші взаємодії в білках (у деяких випадках вони взагалі відсутні), зате по міцності вони не мають рівних.

ВИЩИЙ РІВЕНЬ ПРОСТОРНОЇ ОРГАНІЗАЦІЇ БІЛКІВ

Молекула білка може складатися не з одного, а з кількох поліпептидних ланцюгів. Кожен такий ланцюг є самостійною просторовою структурою — субодиницею. Наприклад, білок гемоглобин складається з чотирьох субодиниць, які утворюють єдину молекулу, розташовуючись у вершинах майже правильного тетраедра. Субодиниці «прилипають» один до одного завдяки тим же силам, що стабілізують третинну структуру. Це гід-рофобні взаємодії, сольові містки та водневі зв'язки.

Якщо білок складається з декількох субодиниць, кажуть, що він має четвертинною структурою. Така структура є найвищим рівнем організації білкової моле-кули. На відміну від перших трьох рівнів четвертинна структура є далеко не у всіх білків. Приблизно половина з відомих на сьогоднішній день білків її не мають.

ЧОМУ БІЛКИ БОЯТЬСЯ ТЕПЛА

Зв'язки, що підтримують просторову структуру білка, досить легко руйнуються. Ми з дитинства знаємо, що при варінні яєць прозорий яєчний білок перетворюється на пружну білу масу, а молоко при скисанні загусає. Відбувається це через руйнування просторової структури білків альбуміну в яєчному білку і ка-зеїну (огглат. caseus - «сир») у молоці. Такий процес називається денатурацією. У першому випадку її викликає нагрівання, а в другому - значне збільшення кислотності (в результаті життєдіяльності бактерій, що живуть в молоці). При денатурації білок втрачає здатність виконувати властиві йому в організмі функції (звідси і назва процесу: від латів. denaturare - «позбавляти природних властивостей»). Денатуровані білки легше засвоюються організмом, тому однією з цілей термічної обробки харчових продуктів є денатурація білків.

НАВІЩО ПОТРІБНА ПРОСТОРА СТРУКТУРА

У природі майже нічого не відбувається випадково. Якщо білок прийняв певну форму у просторі, це має бути досягненню якоїсь мети. Дійсно, тільки білок з «правильною» просторовою структурою може мати певні властивості, тобто виконувати ті функції в організмі, які йому наказані. А робить він це за допомогою все тих же R-груп амінокислот. Виявляється, бічні ланцюги не тільки підтримують «правильну» форму молекули білка в просторі. R-групи можуть пов'язувати інші органічні та неорганічні молекули, брати участь у хімічних реакціях, виступаючи, наприклад, у ролі каталізатора.

Часто сама просторова організація поліпептидного ланцюга якраз" і потрібна для того, щоб зосередити в певних точках простору необхідний для виконання тієї чи іншої функції набір бічних ланцюгів. Мабуть, жоден процес в живому організмі не проходить. дит без участі білків.

У ЧОМУ СЕКРЕТ ФЕРМЕНТІВ

всі хімічні реакції, що протікають у клітині, відбуваються завдяки особливому класу білків - фермен-там. Це білки-каталізатори. У них є свій секрет, який дозволяє їм працювати набагато ефективніше за інших каталізаторів, прискорюючи реакції в мільярди разів.

Припустимо, що кілька приятелів ніяк не можуть зустрітися. Але варто було одному з них запросити друзів на день народження, як результат не змусив себе чекати: всі опинилися в одному місці в призначений час.

Щоб зустріч відбулася, знадобилося підштовхнути друзів до контакту. Те саме робить і фермент. У його молекулі є звані центри зв'язування. У них розташовані привабливі для певного типу хімічних сполук (і тільки для них!) «Затишні крісла» - R-групи, що пов'язують якісь ділянки молекул реагуючих речовин. Наприклад, якщо одна з молекул має неполярну групу, в центрі зв'язування знаходяться гідрофобні бічні ланцюги. Якщо ж у молекулі є негативний заряд, його чекатиме в молекулі ферменту R-груп па з позитивним зарядом.

В результаті обидві молекули реагентів зв'язуються з ферментом і виявляються в безпосередній близькості один від одного. Мало того, ті їх групи, які повинні вступити в хімічну реакцію, зорієнтовані в просторі необхідним для реакції чином. Тепер за справу приймаються бічні ланцюги ферменту, які грають роль каталізаторів. У фер-менті все «продумано» таким чином, що R-групи-каталізатори теж розташовані поблизу місця подій, яке називають активним центром. А після завершення реакції фермент «відпускає на волю» молекули-продукти (див. статтю «Ферменти - на всі руки майстра»).

ЗВІДКИ БЕРЕТЬСЯ ІМУНІТЕТ

Білки виконують в організмі безліч функцій; вони, наприклад, захищають клітини від небажаних вторгнень, оберігають їх від ушкоджень. Спеціальні білки - антитіла мають здатність розпізнавати бактерії, що проникли в клітини, віруси, чужорідні полімерні молекули і нейтралізувати їх.

У вищих хребетних від чужорідних частинок організм захищає імунна система. Вона влаштована отже організм, у який вторглися такі «агресори» — антигени, починає виробляти антитіла. Молекула антитіла міцно зв'язується з антигеном: у антитіл, як і у ферментів, теж є центри зв'язування. Бічні ланцюги амінокислот розташовані в центрах таким чином, що антиген, що потрапив у цю пастку, вже не зможе вирватися з «залізних лап» антитіла. Після зв'язування з антитілом ворог видворяється за межі організму.

Можна ввести в організм невелику кількість деяких полімерних молекул, що входять до складу бактерій або вірусів-збудників будь-якої інфекційної хвороби.

В організмі негайно з'являться відповідні антитіла. Тепер потрапив у кров або лімфу «справжній» хвороботворний мікроб відразу ж піддасться атаці цих анти-тіл, і хвороба буде переможена. Такий спосіб боротьби з інфекцією є не що інше, як нелюбима багатьма щеплення. Завдяки їй організм набуває імунітету до інфекційних хвороб.

ДЛЯ ЧОГО В ГЕМОГЛОБИНІ ЗАЛІЗО

У природі існують білки, в яких крім амінокислот містяться інші хімічні компоненти, такі, як ліпіди, цукру, іони металів. Зазвичай ці компоненти відіграють важливу роль при виконанні білком його біологічної функції. Так, перенесення молекул та іонів з одного органу в інший здійснюють транспортні білки плазми крові. Білок гемоглобін (від грец. «гема» - «кров» і лат. globus - «куля», «кулька»), що міститься в кров'яних клітинах - еритроцитах (від грец. "Еритрос" - "червоний" і "кітос" - " клітина»), доставляє кисень від легень до тканин. У молекулі гемоглобіну є комплекс іона заліза Fe 24 "зі складною органічною молекулою, званий гемам. Гемоглобін складається з чотирьох білкових субодиниць, і кожна з них містить по одному гему.

У зв'язуванні кисню у легенях бере участь безпосередньо іон заліза. Як тільки до нього хоча б в одній з субодиниць приєднується кисень, сам іон відразу трохи змінює своє розташування в молекулі білка. Рух заліза «провокує» рух всього амінокислотного ланцюжка даної субодиниці, яка злегка трансформує свою третинну структуру.

Інша субодиниця, ще не приєднала кисень, «відчує», що сталося з сусідкою. Її структура теж починає змінюватись. У результаті друга субодиниця пов'язує кисень легше, ніж перша. Приєднання кисню до третьої і четвертої субодиниці відбувається з ще меншими труднощами. Як видно, субодиниці допомагають одна одній у роботі. Для цього гемоглобіну і потрібна четвертинна структура. Оксид вуглецю СО (у просторіччі чадний газ) зв'язується із залізом у гемі ​​в сотні разів міцніше кисню. Чадний газ смертельно небезпечний для людини, оскільки позбавляє гемоглобін можливості приєднувати кисень.

А ЩЕ БІЛКИ...

Служать поживними речовинами. У насінні багатьох рослин (пшениці, кукурудзи, рису та ін) містяться харчові білки. До них відносяться також альбумін - основний компонент яєчного білка і казеїн - головний білок молока. При перетравленні в організмі людини білкової їжі відбувається гідроліз пептидних зв'язків. Білки «розбираються» на окремі амінокислоти, з яких організм надалі «будує» нові пептиди або використовує для отримання енергії. Звідси й назва:

Грецьке слово "пептос" означає "перетравлений". Цікаво, що гідроліз пептидного зв'язку управляють теж білки - ферменти.

Беруть участь у регуляції клітинної та фізіологічної активності. До подібних білків відносяться багато гормонів (від грецьк. «Гормао» - «по-буду»), такі, як інсулін, що регулює обмін глюкози, і гормон росту.

Наділяють організм здатністю змінювати форму і пересуватися. За це відповідають білки актин та мі-озин, з яких побудовані м'язи.

Виконують опорну та захисну функції, скріплюючи біологічні структуриі надаючи їм міцність. Шкіра являє собою майже чистий білок колаген, а волосся, нігті і пір'я складаються з міцного нерозчинного білка кератину.

ЩО ЗАПИСАНО У ГЕНАХ

Послідовність амінокислот у білках кодується генами, які зберігаються і передаються у спадок за допомогою молекул ДНК (див. статті «Зберігач спадкової інформації. ДНК» та «Експресія генів»). Просторову структуру білка задає саме порядок розташування амінокислот. Виходить, що не тільки первинна, а й вторинна, третинна і четвертинна структури білків складають зміст спадкової інформації. Отже, і виконувані білками функції запрограмовані генетично. Величезний список цих функцій дозволяє білкам по праву називатися основними молекулами життя. Тому відомості про білки і є той безцінний скарб, який передається в природі від покоління до покоління.

Інтерес людини до цих органічних сполук з кожним роком тільки збільшується. Сьогодні вчені вже розшифрували структуру багатьох білкових молекул. Вони з'ясовують функції різних білків, намагаються визначити взаємозв'язок функцій зі структурою. Встановлення подібності і відмінностей у білків, що виконують аналогічні функції у різних живих організмів, дозволяє глибше проникати в таємниці еволюції.

АМІНОКИСЛОТИ — ПОКАЗНИКИ ВІКУ

D - і L -форми амінокислот мають здатність дуже повільно перетворюватися один на одного. За певний (досить тривалий) період часу чиста D- або I-форма може стати сумішшю рівних кількостей обох форм. Така суміш називається раіємагом, а сам процес - раїє-мізаіей. Швидкість рацемізації залежить від температури та типу амінокислоти. Дана властивість можна використовувати для визначення віку викопних залишків організмів, а при необхідності - і живих істот. Наприклад, у білку дентину (дентин кісткова тканиназубів) 1-ас-парагінова кислота мимовільно раїємізується зі швидкістю 0,1% на рік. У дітей у період формування зубів у дентині міститься лише 1-аспарагінова кислота. Дентин виділяють із зуба і визначають У ньому вміст 0-форми. Результати тесту досить точні. Так, для 97-річної жінки, вік якої був документально засвідчений, тест показав вік 99 років. Дані досліджень, виконаних на викопних залишках доісторичних тварин - слонів, дельфінів, ведмедів, - добре узгоджуються з результатами датування, отриманими радіонуклідним методом.

ЗА ЩО СЕНГЕР ОТРИМАВ НОБЕЛІВСЬКІ ПРЕМІЇ

При гідролізі білків до амінокислот (руйнування пептидного зв'язку водою) втрачається інформація про послідовність їх сполуки. Тому довгий час вважали, що визначення первинної структури білка є абсолютно безнадійним завданням. Але в 50-х роках. XX ст. англійський біохімік Фредерік Сенгер (народився в 1918 р.) зміг розшифрувати послідовність амінокислот в поліпептидних ланцюгах гормону інсуліну. За цю роботу, на виконання якої пішло кілька років, в 1958 р. Сенгер був удостоєний Нобелівської премії з хімії (двадцятьма роками пізніше він спільно з У. Гілбертом отримав другу премію за внесок у встановлення первинної структури ДНК).

Принципи визначення амінокислотної послідовності, вперше сформульовані Сенгером, використовуються і нині, щоправда, з усілякими варіаціями та вдосконаленнями. Процедура встановлення первинної структури білка складна і багатоступінчаста: у ній близько десятка різних стадій. Спочатку білок розщеплюють до окремих амінокислот і встановлюють їх тип та кількість у даній речовині. На наступній стадії довгу білкову молекулу розщеплюють не повністю, але в фрагменти. Потім у цих фрагментах визначають порядок з'єднання амінокислот, послідовно відокремлюючи їх одну за одною. Розшеплення білка на фрагменти проводять декількома способами, щоб у різних фрагментах були ділянки, що перекриваються. З'ясувавши порядок розташування амінокислот у всіх фрагментах, отримують повну інформацію про те, як амінокислоти розташовані в білку. До кінця XX ст. створено спеціальні прилади, що визначають послідовність амінокислот у молекулі білка в автоматичному режимі – секвенатори (від англ. sequence – «послідовність»).

МОЛОКО ТА КИСЛОМОЛОЧНІ ПРОДУКТИ

Молоко є колоїдний розчинжиру у воді. Під мікроскопом добре видно, що воно неоднорідне: у безбарвному розчині (сироватці) плавають жирові кульки.

У коров'ячому молоці зазвичай міститься від 3 до 6% жирів (переважно це складні ефіригліцерину та насичених карбонових кислот- пальмітинової, стеаринової), близько 3% білків, а ще вуглеводи, органічні кислоти, вітаміни та мінеральні речовини.

Білок казеїн у молоці присутній у пов'язаному вигляді- ковалентно приєднані до амінокислоти серину фосфатні групи утворюють солі з іонами кальцію. При підкисленні молока ці солі руйнуються і казеїн виділяється у вигляді білої сирної маси. У шлунку людини під дією особливих ферментів відбувається процес, званий "створення казеїну". Створений казеїн випадає в осад і повільніше виводиться з організму, тому повніше засвоюється. Казеїн високо поживний:

У ньому є багато амінокислоти, необхідні людині для побудови своїх білків. У чистому виглядівін є несмачним білий порошокне розчинний у воді. Крім нього в молоці містяться інші білки, наприклад лактальбумін. При кип'ятінні цей білок перетворюється на нерозчинну форму, утворюючи на поверхні кип'яченого молока характерну білу плівку - пінку.

Цукор лактозу С^НддО, що входить до складу молока, ізомерений сахарозі. В організмі людини під дією ферменту лактази цей цукор розщеплюється на моносахариди глюкозу та галактозу, які легко засвоюються. За рахунок цього, наприклад, немовлята поповнюють запаси вуглеводів. Цікаво, що у багатьох людей (переважно у представників монголоїдної раси) організм у зрілому віці втрачає здатність розщеплювати лактозу.

Проходячи через травний тракт, лактоза не засвоюється, а стає живильним середовищем для розвитку різних хвороботворних мікроорганізмів, що призводить до загального нездужання. Саме тому народи Далекого Сходу(японці, китайці) мало вживають у пишу молочні продукти.

У промислових умовах молоко піддають тепловій обробці, мета якої – придушити розвиток мікроорганізмів та продовжити термін його зберігання. Для цього молоко пастеризують - витримують 30 хв при 65 °С, а також використовують короткочасну термообробку - нагрівають протягом 10-20 до 71 °С. Порівняно з пастеризацією термообробка краще зберігає поживні речовини, насамперед вітаміни. Щоб молоко не розшаровувалося на вершки та сироватку, його гомогенізують – пропускають під тиском через невеликі отвори. Жирові кульки дробляться, зменшуються в розмірах, а молоко стає більш в'язким.

Значна частина молока йде на переробку - для виробництва вершкового масла, сиру та кисломолочних продуктів (кефіру, ряжанки, кислого молока, сметани).

Щоб отримати кефір, молоко сквашують - витримують протягом 8-10 годин при 20-25 ° С, додаючи травлення молочнокислих бактерій. Під їх дією лактоза розпадається до молочної кислоти:

С„н„про„ + н,о =лактоза == 4СНзСН(ОН)СООН. молочна (2-гідроксипропанова) кислота

Саме молочна кислота визначає специфічний смак кефіру. У міру того як вона накопичується в розчині, відбувається коагуляція (згортання) казеїну, який виділяється в вільному вигляді. Тому кефір має густішу консистенцію, ніж молоко. Молочнокисле зброджування лактози супроводжується спиртовим бродінням, через що у кисломолочних продуктах, зокрема у кефірі, є невелика кількість алкоголю (до 0,03%). У кисломолочних продуктах містяться також мікроорганізми, які пригнічують розвиток хвороботворних бактерійі тим самим покращують пишіння.

Сир теж отримують сквашування молока молочнокислими бактеріями. Його головною складовою є білок казеїн.

Щоб приготувати вершкове масло, від молочної сироватки необхідно відокремити крапельки жиру, що входять до складу молока. Для цього збивають вершки - верхній, жирніший шар, що утворюється при відстоюванні молока.

Казеїн також входить до складу сирів. Їх роблять, додаючи в молоко бактеріальну закваску та спеціальні ферменти, а потім підігріваючи суміш до певної температури. У згусток, що виділився, знову вводять ферменти і підігрівають. При цьому відбувається часткова зміна структури та складу казеїну. Потім суміш розкладають за формами та тривалий час- до шести місяців - витримують за низької температури (не вище 15 °С). Під час дозрівання казеїн під дією ферментів розпадається на поліпептиди та вільні амінокислоти. Частина амінокислот окислюється киснем повітря, у своїй утворюються аміак, альдегіди, і навіть кетокислоти, надають сиру характерний аромат.

Скисання молока – звичний приклад денатурації білка.

МІДНА КРОВ

У холодних водах Перуанської течії Тихому океанімешкає кальмар Dosidicus gigas. Його сигароподібне тіло разом із щупальцями досягає завдовжки 3,5 м, а маса гіганта може перевищувати 150 кг. Потужні миші викидають струмінь води з силою, з якою вона б'є з пожежного рукава, завдяки чому кальмар здатний рухатися зі швидкістю до 40 км/год. Дзьобою, дуже міцною і гострим, він може перебити сталевий кабель. За свідченням очевидців, кальмар буквально на шматки роздирає 20-кілограмову рибину. Цей лютий хишник дуже небезпечний і для людини. У книзі Франка Лейна "Царство восьминога" стверджується, що "людина, яка впала за борт у місцях, де мешкає багато кальмарів, не проживе і півхвилини".

Щоб “зарядитись” енергією, цьому мешканцю океану потрібно багато кисню – не менше 50 л на годину. Кисень, що поступає з морської води, розноситься по тілу кальмара за допомогою особливого білка, що містить мідь, - гемоіїаніна (від грецьк. "гема" - "кров" і "кіанос" - "блакитний", "блакитний").

Варто зауважити, що у крові хребетних кисень “транспортують” атоми заліза у складі гема - особливої ​​складної молекули, що входить до складу білка гемоглобіну. Їм буквально нашпиговані червоні кров'яні клітини – еритроцити. Молекула гемоглобіну містить чотири гемові фрагменти, кожен з яких здатний зв'язати молекулу кисню. На відміну від гемоглобіну, в гемоіїаніні атоми міді безпосередньо пов'язані з білковими молекулами, які не включені в жодні клітини, а вільно "плавають" у крові. Зате одна молекула гемоіїані

Вона здатна зв'язати до 200 атомів міді. І ще одна особливість гемоіїаніна - його молекули мають великі навіть для білків розміри. У “звичайних” білків, які входять до складу яєць, молока, миші, молекулярна маса коливається не більше від б тис. до 1 млн, а молекулярна маса гемоиианина може досягати 10 млн! Це один із найбільших білків; більше за розміром та масою тільки білкові комплекси у вірусів.

Гемоіїанін - дуже давній білок. Він влаштований простіше, ніж гемоглобін і не такий ефективний. Проте при малому вмісті кисню в морській воді гемоіїанін досить успішно забезпечує їм тканини холоднокровних тварин. Так, тиск кисню в зябрах лангуста становить лише 7 мм рт. ст. (930 Па), а тканинах - 3 мм рт. ст.; причому концентрація цього газу крові лангуста в 20 разів вище, ніж у морській воді.

Крім кальмарів, кисень переноситься "блакитною кров'ю" також у десятиногих ракоподібних (омари, краби, креветки). Гемоіїанін знайдений у всіх головоногих молюсків (восьминоги, кальмари, каракатиці), різноманітних равликів, павуків та ін. А ось у морських гребінців, устриць та інших двостулкових молюсківйого нема.

Кількість гемоіїаніну в крові може бути різною. Так, у спритних восьминога та мечехвоста (морська тварина типу членистоногих) концентрація цього незвичайного білка доходить до 10 г у 100 мл крові – майже стільки ж гемоглобіну в крові людини. У той же час, у малорухливого їстівного молюска морське вушко Hatiotis tuberculata у 100 мл крові всього 0,03 г гемоіїаніну. Це і зрозуміло: чим активніша тварина,

Чим більше кисню необхідно йому для поповнення енергетичних витрат, тим вище в крові концентрація білка, що переносить кисень.

Гемоіїанін був відкритий у 60-х роках. XIX ст., коли біологи помітили, що кров головоногих молюсків при проходженні через зябра забарвлюється у блакитний колір. А в 1878 р. бельгійський фізіолог Леон Фредерік довів, що блакитний колір викликаний реакцією кисню з білком, що містить мідь, який він назвав гемоіїаніном. Коли останній втрачає кисень, він, на відміну гемоглобіну, стає безбарвним. Примітно, що всю роботу щодо вивчення нового білка Фредерік виконав протягом одного дня.

З гемоіїаніну неважко повністю витягти мідь. Для цього достатньо обробити білок без кисню реактивом, який міцно зв'язується з іонами. одновалентної міді. У такий же спосіб можна визначити вміст міді в гемоіїаніні. Позбавлений цього металу, він втрачає здатність переносити кисень. Але якщо потім ввести в розчин білка іони Сі "1", гемоіїанін відновлює свою фізіологічну активність.

Так було доведено, що відсутність кисню мідь гемоиианина перебуває у ступені окислення +1. При надлишку цього газу відбувається часткове окислення металу. При цьому завжди на одну пов'язану гемоіїаніном молекулу кисню припадає два атоми міді. Таким чином, кисень окислює рівно половину атомів міді. Це ще одна відмінність гемоіїаніну від значно більш поширеного в тваринному світі гемоглобіну, в якому всі атоми заліза рівноцінні і мають заряд +2 як у вільному стані, так і в комплексі з киснем.

І теоретичної хіміїта застосовується в біотехнології (при створенні нових) та в медицині (у фармацевтиці). Результативність розвитку способів прогнозування оцінюється в рамках всесвітнього досвіду, проміжні всього якого підбиваються один раз на два роки, починаючи з 1994 року.

У 1960-х роках американський біохімік Крістіан Анфінсен запропонував термодинамічну гіпотезу, згідно з якою атоми молекул білка, природних умов, полягають у термодинамічно стабільну , що відповідає мінімуму вільної енергії системи. Іншими словами, білок набуває певної просторової форми внаслідок обмежень, диктованих композицією та фізико-хімічними властивостями, його формують.

У свою чергу, білкові молекули зі схожою просторовою структурою зазвичай відіграють схожу біологічну роль у процесах клітинного рівня. Таким чином, структура білка може розглядатися як проміжна ланка між хімічним складом (первинною структурою) та функцією білка.

Більшість амінокислотних послідовностей білків сьогодні отримують методом трансляції генів з нуклеотидних послідовностей, які визначаються широкомасштабними. дослідницькими проектами– такими, наприклад, як проект «Геном людини».

Разом з тим, методи експериментального визначення структури білка технологічно складні, дорогі та значно (більш ніж на два порядки) відстають у продуктивності від методів визначення хімічного складу. Станом на березень 2010 року, у публічних базах даних було депоновано майже 10000000 послідовностей білків, і ця кількість продовжує збільшуватися стрімкими темпами, при тому, що зусиллями великих світових центрів структуральної генетики централізовану базу даних структур білків вдалося наповнити лише 60000 структурами. Передбачається, що заповнити пробіл між кількістю послідовностей та структур білків можна виключно методом теоретичногопередбачення структури білків.

Вирішення цієї проблеми означає відкриття широких можливостей для впровадження та вдосконалення різних біотехнологій (сьогодні комп'ютерне передбачення структури білка використовується в біології та медицині, зокрема при розробці ліків).

Знання структури білка може підказати потенційних партнерів для білкової взаємодії і, тим самим, підштовхнути дослідників до розробки або вдосконалення нових, пояснити проведених мутацій, опосередковано, допомогти у визначенні місця для проведення мутацій з метою зміни певних фенотипів.

Методи передбачення структури білків

Передбачення структури білків є складним завданнямза багатьма причинами:

• По-перше, кількість можливих просторових конфігурацій білків досить велика,
• По-друге, фізичні основи структуроутворення білків та його стабільності ще остаточно вивчені.

Для досягнення успіху в побудові моделі для передбачення структури білка спочатку має бути розроблена стратегія ефективного перебудови простору можливих структурі вибору найімовірніших кандидатів на нативну структуру.

Сьогодні існують два основні, концептуально різних методузвуження простору пошуку структурних конформацій білків:

Методи передбачення першого типу використовують припущення, що структура білка, що шукається, може бути схожою на одну або декількох відомих структур білків, або, принаймні, бути складена з елементарних конструкційних блоків таких білків.

Методи передбачення другого типу не використовуютьінформацію про відомі структури, базуючись переважно на спрощених енергетичних потенціалах, використовуючи для моделювання наближені стратегії пошуку мінімуму енергетичного ландшафту.

Передбачення структури білка за зразком (шаблоном)

Якщо серед відомих структур білка вдається знайти такі, для яких можна припустити, що вони можуть бути певною мірою схожі з об'єктом моделювання (передбачення), значить їх можна використовувати як шаблон (зразок) для побудови моделі. Цей методгомологічного моделювання називається «пророцтво структури білка за зразком (за шаблоном») (Template-based modeling).

Шаблони (зразки) передбачення можуть бути знайдені за допомогою методів безпосереднього порівняння амінокислотних послідовностей (Comparative modeling methods), або більш комплексних методів для розпізнавання структурно схожих білків при слабкому або практично невиявленому подібності послідовностей (fold recognition/threading methods).

Остання група методів полягає в тому принципі, що структура є еволюційно консервативною, на відміну послідовності, і, іноді, можна знайти родинні білки з несхожими послідовностями, та був спробувати «простежити» послідовність шуканого білка через структуру шаблона. Теоретично, подібні білки можна виявити, сконструювавши та порівнявши профілі послідовності шуканого білка та відомих структур.

Пророцтво структури білка за зразком (шаблоном) має величезний практичний потенціал, оскільки якщо відома структура хоча б одного білка сім'їОтже, можна спробувати побудувати моделі для практично кожного білка в цій сім'ї. З наповненням бази даних структур, дане моделюваннястає можливим для дедалі більшої кількості білків.

Безшаблонні методи передбачення структури білків

Якщо знайти шаблон для передбачення структури білка одним із вищезазначених методів не вдається, у цій ситуації застосовуються безшаблонні методи (Template-free/de novo methods). До безшаблонних методів передбачення відносяться фрагментні методи та суто фізичні методи.

Безшаблонне передбачення структури білків методом молекулярної динаміки з енергетичною функцією (зокрема, молекулярної динаміки та методу Монте-Карло, з використанням переваги розподілених та паралельних обчислень), що враховує деталі взаємодії на атомному рівні, сьогодні практично нереалізовано через високих вимогдо обчислювальних ресурсів. Саме з цієї причини більшість ab initio методів використовує спрощену атомну структуру білків.

Фолдинг невеликих альфа-спіральних білкових доменів, наприклад, білка був успішно передбачений in silico. Завдяки застосуванню гібридних методів передбачення, що поєднують стандартну молекулярну динаміку з квантовою механікою, було досліджено електронні стани зорового пігменту родопсину.

Безшаблонні методи передбачення структури білка менш надійні, ніж шаблонні, проте вони дозволяють сконструювати моделі, що мають загальнуформу (англ. - Fold), близьку до нативної структури білка, що шукається.

Примітки

Примітки та пояснення до статті "Пророцтво (моделювання) структури білка".

• Білокпротеїн, protein – високомолекулярне органічна речовина, Що складається з альфа-амінокислот, об'єднаних пептидними зв'язками (що утворюються, коли аміногрупа однієї амінокислоти та карбоксильна група іншої амінокислоти реагують з виділенням молекули води). Існують два класи білків: простий білок, що при гідролізі розпадається виключно на амінокислоти, і складний білок (холопротеїн, протеїд), що містить простетичну групу (підклас кофакторів), при гідролізі складного білкакрім амінокислот, звільняється небілкова частина або продукти її розпаду. Білки-ферменти прискорюють (каталізують) перебіг біохімічних реакцій, істотно впливаючи на процеси обміну речовин. Окремі білки виконують механічні або структурні функціїутворюючи цитоскелет, що зберігає форму клітин. Крім іншого, білки відіграють ключову роль у сигнальних системахклітин, при імунній відповіді та в клітинному циклі. Білки є основою для створення м'язової тканини, клітин, тканин та органів у людини.
• Молекулярне моделювання, ММ, Molecular modelling – збірна назва методів дослідження властивостей та структури молекул з використанням обчислювальної технікиі наступною візуалізацією результатів, що, у результаті, забезпечує їх тривимірне уявлення при заданих розрахунку умовах.
• in silico - Термін, що позначає комп'ютерну симуляцію (моделювання) експерименту, зазвичай біологічного. Коріння терміна in silicoведуть до термінів in vitro(у пробірці) та in vivo(У живому організмі). in silicioбуквально означає «в кремнії», символізуючи, тим самим, кремній, як напівпровідниковий матеріал, що відіграє важливу роль у створенні кремнієвих мікросхем, що використовуються у виробництві комп'ютерної техніки.
• Дизайн білка, protein design – раціональна конструкція нових білкових молекул, згорнутих у цільовій структурі білка, з метою проектування його нових функцій та/або поведінки. Завдяки дизайну, білки можуть бути розроблені як заново ( новий білок), так і шляхом зміни вже існуючих, на базі відомої структурибілка та його послідовності (реконструкція).
• Третинна структура, Тривимірна структура - просторова будова (включаючи конформацію) всієї молекули білка, іншої макромолекули, що складається з єдиного ланцюга.
• Біоінформатика– сукупність підходів і методів, що використовуються, зокрема, у біофізиці, біохімії, екології, що включають математичні методикомп'ютерного аналізу у порівняльній геноміці, розробку програм та алгоритмів для передбачення просторової структури біополімерів, дослідження стратегій, відповідних обчислювальних методологій, а також загальне управління інформаційної складності біологічних систем. У біоінформатиці використовуються методи прикладної математики, інформатики та статистики.
• Ферменти, ензими, enzymes - як правило, білкові молекули або рибозими (молекули РНК) або їх комплекси, що каталізують (прискорюють) хімічні реакції в живих системах. Ферменти, як і всі білки, синтезуються у вигляді лінійного ланцюжка амінокислот, що згортаються певним чином. Кожна послідовність амінокислот згортається особливим чином, в результаті чого, білкова глобула (молекула), що виходить, володіє унікальними властивостями. Ферменти присутні у всіх живих клітинах та сприяють перетворенню одних речовин на інші. Ферментативна активність може регулюватися інгібіторами та активаторами (інгібітори – знижують, активатори – підвищують). За типом каталізованих реакцій ферменти поділяються на шість класів: оксидоредуктази, трансферази, гідролази, ліази, ізомерази та лігази. Для здійснення каталізу окремим ферментам необхідні компоненти небілкової природи - кофактори. Кофактори можуть бути як неорганічними (залізо-сірчані кластери, іони металів, у тому числі), так і органічними (гем, флавін, у тому числі) молекулами. Органічні кофактори, що міцно пов'язані з ферментом, називаються простетичними групами. Кофактори органічної природи, здатні відокремлюватися від ферменту, називають коферментами.
• Критична оцінка передбачення білкових структур, Critical Assessment of protein Structure Prediction, CASP - масштабний експеримент з передбачення білкових структур, що вважається всесвітнім змаганням у науці структурного моделювання. Основною метою CASP є координація зусиль у поліпшенні методів визначення тривимірної структури білків з їх послідовностей амінокислот. В рамках CASP відбувається об'єктивне тестування методів передбачення білкових структур із подальшою незалежною оцінкою структурного моделювання. В експерименті, на постійній основібере участь понад 100 дослідницьких груп.
• Крістіан Бемер Анфінсен, Christian Boehmer Anfinsen (1916 – 1995 рр.) – американський біохімік, лауреат Нобелівської премії з хімії 1972 року (разом зі Стенфордом Муром та Вільямом Стайном), «за роботу зі встановлення зв'язку між амінокислотною послідовністю рибонуклеази А та її біологічно активною конформацією».
• Конформація- Просторове розташування атомів в молекулі певної конфігурації, обумовлене поворотом навколо однієї або декількох одинарних сигма-зв'язків.
• Амінокислота – органічні сполукиє будівельним матеріалом для білкових структур, м'язових волокон. Організм використовує амінокислоти для власного зростання, зміцнення та відновлення, для вироблення різних гормонів, ферментів та антитіл.
• Дезоксирибонуклеїнова кислота, ДНК, deoxyribonucleic acid, DNA – одна з трьох основних макромолекул (дві інші РНК та білки), що забезпечує зберігання, передачу з покоління в покоління та реалізацію генетичної програмирозвитку та функціонування живих організмів. ДНК зберігає інформацію про структуру різних видів РНК та білків. З хімічної точки зору, ДНК являє собою довгу полімерну молекулу, що складається з блоків, що повторюються - нуклеотидів. Кожен нуклеотид складається з азотистої основи (цитозин, тимін, гуанін та аденін), цукру (дезоксирибози) та фосфатної групи. Зв'язки між нуклеотидами в ланцюзі утворюються за рахунок дезоксирибози та фосфатної групи. У переважній більшості випадків (за винятком окремих вірусів, що містять одноланцюгову ДНК) макромолекула ДНК складається з двох ланцюгів, орієнтованих азотистими основами один до одного. Ланцюги переплетені між собою у вигляді спіралі, звідки й походить назва структури молекули ДНК – «подвійна спіраль».
• , Проект Людський Геном, The Human Genome Project, HGP – міжнародний науково-дослідний проект, головною метоюякого було визначення послідовності нуклеотидів, що становлять ДНК, та ідентифікація 20-25 тисяч генів у людському геномі. Проект розпочався у 1990 році під егідою Національних інститутівохорони здоров'я США, в 2000 році було випущено робочу чернетку структури геному, повний геном - в 2003 році. Основний обсяг секвенування було виконано в університетах та дослідницьких центрах США, Великобританії та Канади.
• Protein Data Bank, PDB – банк даних 3-D структур білків та нуклеїнових кислототриманих методами рентгенівської кристалографії або ЯМР-спектроскопії PDB є одним із найважливіших ресурсів для вчених, які працюють у галузі структурної біології.
• Антитіла, імуноглобуліни, ІГ, antibody, Ab, immunoglobulins, Ig, – клас складних білків глікопротеїнів, присутніх у вигляді розчинних молекул у тканинній рідині та у сироватці крові, у вигляді мембранозв'язаних рецепторів на поверхні B-лімфоцитів. Антитіла здатні вкрай вибірково зв'язуватися з конкретними видамимолекул (які у зв'язку з чим називаються антигенами). У людини виділяють п'ять класів антитіл (імуноглобулінів), що різняться між собою за будовою та амінокислотним складом. важких ланцюгіві за ефекторними функціями – IgG, IgA, IgM, IgD та IgE. Антитіла є найважливішим фактором специфічного імунітету, що використовуються імунною системою для ідентифікації та нейтралізації чужорідних об'єктів – вірусів та бактерій, у тому числі.
• Фенотип(від грецьких `6,^5,^3,_7,`9, - "виявляю, виявляю" і `4,a3,`0,_9,`2, - "приклад, зразок, шаблон") - сукупність характеристик, властивих індивіду певної стадії розвитку (в результаті онтогенезу). Фенотип формується з урахуванням генотипу, опосередкованого низкою зовнішньосередовищних чинників.
• Віллін- тканеспецифічний білок масою 92,5 кДа, що зв'язує актинові філаменти щіткових облямівок. Віллін містить гельзолін-подібні домени, що повторюються, увінчані невеликою (8,5 кДа) «головкою» на C-кінці, що складається з швидко і незалежно формуються триспіральних послідовностей, стабілізованих гідрофобними взаємодіями. Функції вілліну до кінця не вивчені, проте передбачається, що він бере участь у нуклеації, освіті, з'єднанні в пучки та розрізанні актинових філаментів.

При написанні статті про структуру білка, а також про методи передбачення (моделювання) структури білка, як джерела використовувалися матеріали інформаційних та довідкових інтернет-порталів, сайтів новин NCBI.NLM.NIH.gov, ProteinStructures.com, Stanford.edu, ScienceDaily. com, Genome.gov, FASTA.Bioch.Virginia.edu, FEN.NSU.ru, SGU.ru, VIGG.ru, Вікіпедія, а також наступні друковані видання:

• Гінтер Є. К. «Медична генетика. Навчальна література для студентів медичних вузів». Видавництво «Медицина», 2003 рік, Москва,
• Скальний А. В., Рудаков І. А. «Біоелементи в медицині» Видавництво «Онікс», 2004, Москва,
• Мюльберг А. А. «Фолдинг білка» Видавництво «Видавництво Санкт-Петербурзького державного університету», 2004, Санкт-Петербург,
• Стефанов В. Є., Мавропуло-Столяренко Г. Р. «Аналіз структури білків методами біоінформатики». Видавництво "Золотий перетин", 2007 рік, Санкт-Петербург,
• Конічев А. С., Севастьянова Г. А. « Молекулярна біологія. Вища професійна освіта». Видавництво «Академія», 2008 рік, Москва,
• Новоселецький Ст (редактор) «Структура та функціонування білків. Застосування методів біоінформатики. Під керівництвом Даніеля Джона Рігден». Видавництво «URSS», 2014 рік, Москва. (No Ratings Yet)
  

Для опису будови білкової молекули були введені поняття про первинну, вторинну, третинну і четвертинну структури білкової молекули. В останні роки з'явилися ще такі поняття, як надвторинна структура, що характеризує енергетично кращі агрегати вторинної структури, і домени – частини білкової глобули, що є досить відокремленими глобулярними ділянками.

Кількість та послідовність розташування амінокислот, та місце розташування дисульфідних зв'язків у поліпептидному ланцюгу визначають первинну структуру білка. Між первинною структурою білка та його функцією даного організму існує найтісніший зв'язок. Для того, щоб білок виконував властиву йому функцію, необхідна певна послідовність амінокислот в поліпептидному ланцюгу цього білка. Навіть невеликі зміни в первинній структурі можуть значно змінювати властивості білка і, відповідно, його функції. Наприклад, в еритроцитах здорових людей міститься білок-гемоглобін з певною послідовністю амінокислот. Невелика частина людей має вроджену аномалію структури гемоглобіну: їх еритроцити містять гемоглобін, у якого в одному положенні замість глутамінової кислоти (зарядженої, полярної) міститься амінокислота валін (гідрофобна, неполярна). Такий гемоглобін суттєво відрізняється за фізико-хімічними та біологічним властивостямвід нормального. Поява гідрофобної амінокислоти призводить до виникнення «липкого» гідрофобного контакту (еритроцити погано пересуваються в кровоносних судинах), до зміни форми еритроциту (з двояковогнутого в серповидний), а також до погіршення переносу кисню і т.д. Діти, що народилися з цією аномалією, в ранньому дитинстві гинуть від серповидноклітинної анемії.

Вичерпні докази на користь твердження, що біологічна активність визначається амінокислотною послідовністю, були отримані після штучного синтезу ферменту рибонуклеази (Мерріфілд). Синтезований поліпептид з тією ж амінокислотною послідовністю, що і природний фермент, мав таку ж ферментативну активність.

Дослідження останніх десятиліть показали, що первинна структура закріплена генетично і у свою чергу визначає вторинну, третинну та четвертинну структури білкової молекули та її загальну конформацію. Першим білком, у якого було встановлено первинну структуру, був білковий гормон інсулін (містить 51 амінокислоту). Це було зроблено 1953 р. Фредеріком Сенгером. До теперішнього часу розшифровано первинну структуру понад десять тисяч білків, але це дуже невелика кількість, якщо врахувати, що в природі білків близько 10 12 .

Знаючи первинну структуру білка, можна точно написати його структурну формулуякщо білок представлений одним поліпептидним ланцюгом. Якщо до складу білка входить кілька поліпептидних ланцюгів, їх попередньо роз'єднують, використовуючи спеціальні реактиви. Для визначення первинної структури окремого поліпептидного ланцюга методами гідролізу з використанням амінокислотних аналізаторів встановлюють її амінокислотний склад. Потім, застосовуючи спеціальні методи та реагенти, визначають природу кінцевих амінокислот. Для встановлення порядку чергування амінокислот поліпептидний ланцюг піддають ферментативному гідролізу, при якому утворюються уламки цього поліпептидного ланцюга - короткі пептиди. Ці пептиди поділяють методом хроматографії та встановлюють послідовність амінокислот у кожному. Таким чином, досягається етап, коли послідовність амінокислот в окремих пептидах (фрагментах білка) відома, але залишається нез'ясованою послідовність самих пептидів. Останню встановлюють за допомогою так званих пептидів, що перекриваються. Для цього використовуються будь-який інший фермент, що розщеплює вихідний поліпептидний ланцюг в інших ділянках, і визначають амінокислотну послідовність знову отриманих пептидів. Пептиди, утворені під дією двох ферментів, містять однакові фрагменти амінокислотних послідовностей, поєднуючи їх встановлюють загальну амінокислотну послідовність поліпептидного ланцюга.

Великий внесок у вивчення будови білкової молекули зробили Л. Полінг та Р. Корі. Звернувши увагу на те, що в молекулі білка найбільше пептидних зв'язків, вони першими провели ретельні рентгеноструктурні дослідження цього зв'язку. Вивчили довжини зв'язків, кути під якими розташовуються атоми, напрямок розташування атомів щодо зв'язку. З досліджень було встановлено такі основні характеристики пептидного зв'язку.

1. Чотири атоми пептидного зв'язку та два приєднані -вуглецеві атоми лежать в одній площині. Групи Rі Н-вуглецевих атомів лежать поза цією площиною.

2. Атоми Про і Н пептидного зв'язку та два -вуглецевих атоми і R-групи мають трансорієнтацію щодо пептидного зв'язку.

3. Довжина зв'язку С-N, що дорівнює 1,32 Å, має проміжне значення між довжиною подвійного ковалентного зв'язку (1,21 Å) і однорідного ковалентного зв'язку (1,47 Å). Звідси випливає, що зв'язок С-N має частково характер подвійного зв'язку. Тобто. пептидна зв'язок може існувати у вигляді резонансних та таутамерних структур, у кето-енольній формі.

Обертання навколо зв'язку –С=N– утруднено і всі атоми, що входять до пептидної групи, мають планарну транс-конфігурацію. Цис-конфігурація є енергетично менш вигідною і зустрічається лише деяких циклічних пептидах. Кожен планарний пептидний фрагмент містить два зв'язки з вуглецевими атомами, здатними до обертання. Це зв'язку С  -N (кут обертання навколо цього зв'язку позначається ) і зв'язок С  -С (кут обертання навколо цього зв'язку позначається ).

Пептидна зв'язок за своєю хімічної природиє ковалентною та надає високу міцність первинній структурі білкової молекули. Будучи повторюваним елементом поліпептидного ланцюга і маючи специфічні особливості структури, пептидна зв'язок впливає як форму первинної структури, а й у вищі рівні організації полипептидной ланцюга.

Вторинна структура білкової молекули утворюється внаслідок того чи іншого виду вільного обертання навколо зв'язків, що з'єднують -вуглецеві атоми в поліпептидному ланцюзі.

У природних поліпептидних ланцюгах виявлено три основні типи структури: -спіраль, складчастий листок та статистичний клубок. Спіральна структура утворюється, якщо в ланцюзі однакові кути поворотів () для всіх зв'язків С  –Nі кутом повороту () для всіх зв'язків С  –С і рівні відповідно –48º та –57º. Найчастіше зустрічається правозакручена -спіраль. Ця структура дуже стабільна, т.к. в ній майже або повністю відсутні стеричні труднощі, особливо для R-груп бічних ланцюгів амінокислот. R-групи амінокислот спрямовані назовні від центральної осі-спіралі. В-спіралі диполі =С=Про іN–Н сусідніх пептидних зв'язків орієнтовані оптимальним чином (майже коаксіальні) для дипольної взаємодії, утворюючи внаслідок цього велику систему внутрішньомолекулярних кооперативних водневих зв'язків, що стабілізують -спіраль. Крок спіралі (один повний виток) 5,4Å включає 3,6 амінокислотних залишку.

Малюнок 1 – Структура та параметри -спіралі білка

Спіральну структуру можуть порушити два фактори:

1) наявність залишку проліну, циклічна структура якого вносить злам у пептидний ланцюг – немає групи –NН 2 , тому неможливо утворення внутрішньоланцюжкового водневого зв'язку;

2) якщо в поліпептидному ланцюзі поспіль розташовано багато залишків амінокислот, що мають позитивний заряд (лізин, аргінін) або негативний заряд (глутамінової, аспарагінової кислот), у цьому випадку сильне взаємне відштовхування однойменнозаряджених груп (–СОО – або –NН 3 +) значно переважає стабілізуючий вплив водневих зв'язків у -спіралі.

Структура типу складчастого листа також стабілізована водневими зв'язками між тими самими диполями =NН...... О=С. Однак у цьому випадку виникає зовсім інша структура, при якій кістяк поліпептидного ланцюга витягнутий таким чином, що має зигзагоподібну структуру. Кути обертання для зв'язків С  -N () та С  -С () близькі відповідно до –120+135 0 . Складчасті ділянки поліпептидного ланцюга виявляють кооперативні властивості, тобто. прагнуть розташуватися поруч у білковій молекулі, і формують паралельні

однаковоспрямовані поліпептидні ланцюги або антипаралельні,

які зміцнюються завдяки водневим зв'язкам між цими ланцюгами. Такі структури називаються -складчасті листи (рисунок 2).

Малюнок 2 – -структура поліпептидних ланцюгів

-Спіральні складчасті листи – це впорядковані структури, у яких є регулярне укладання амінокислотних залишків у просторі. Ділянки білкового ланцюга з нерегулярним укладанням амінокислотних залишків у просторі, які також утримуються завдяки водневим зв'язкам – називаються невпорядкованими, безструктурними – статистичним клубком. Всі ці структури виникають спонтанно та автоматично внаслідок того, що даний поліпептид має певну амінокислотну послідовність, яка зумовлена ​​генетично. -спіралі та -структури зумовлюють певну здатність білків до виконання специфічних біологічних функцій. Так, -спіральна структура (-кератин) добре пристосована до того, щоб утворювати зовнішні захисні структури-пір'я, волосся, роги, копита. на розрив, необхідну для сухожиль. Наявність тільки -спіралей або -структур характерна для ниткоподібно-фібрилярних білків. У складі глобулярно-кулястих білків вміст -спіралей та -структур і безструктурних ділянок сильно варіює. Наприклад: інсулін спіралізований на 60%, фермент рибонуклеазу – 57%, білок курячого яйця лізоцим – на 40%.

Відомості про чергування амінокислотних залишків у поліпептидному ланцюгу, а також про наявність у білковій молекулі спіралізованих, складчастих і невпорядкованих ділянок ще не дають повного уявлення ні про об'єм, ні про форму, ні тим більше про взаємне розташування ділянок поліпептидного ланцюга по відношенню один до одного.

Ці особливості будови білка з'ясовуються щодо його третинної структури, під якою розуміють загальне розташуванняу просторі у певному обсязі поліпептидного ланцюга.

Третинна структура встановлюється за допомогою рентгеноструктурного аналізу. Перша модель молекули білка – міоглобіну, що відбиває його третинну структуру, було створено Дж. Кендрю із співробітниками 1957г. Незважаючи на великі труднощі, до теперішнього часу вдалося встановити третинну структуру понад 1000 білків, у тому числі гемоглобіну, пепсину, лізоциму, інсуліну і т.д.

Третинна структура білків утворюється шляхом додаткового складання пептидного ланцюга, що містить -спіраль, -структури та ділянки без періодичної структури. Третинна структура білка формується абсолютно автоматично, спонтанно і повністю визначається первинною структурою. Основний рушійною силоюу виникненні тривимірної структури є взаємодія радикалів амінокислот з молекулами води. При цьому неполярні гідрофобні радикали амінокислот групуються всередині білкової молекули, тоді як полярні радикали орієнтуються у бік води. У якийсь момент виникає термодинамічно найвигідніша стабільна конформація молекули – глобула. У такій формі білкова молекула характеризується мінімальною вільною енергією. На конформацію глобули впливають такі фактори як рН розчину, іонна сила розчину, а також взаємодія білкових молекул з іншими речовинами.

Останнім часом з'явилися докази, що формування третинної структури перестав бути автоматичним, а регулюється і контролюється спеціальними молекулярними механізмами. У цьому вся процесі задіяні специфічні білки – шаперони. Основними функціями їх є здатність запобігати утворенню з поліпептидного ланцюга неспецифічних (хаотичних) безладних клубків та забезпечення доставки (транспорту) їх до субклітинних мішеней, створюючи умови для завершення згортання білкової молекули.

Стабілізація третинної структури забезпечується завдяки нековалентним взаємодіям між атомними угрупованнями бічних радикалів наступних типів:

водневі зв'язки можуть бути між функціональними групами бічних радикалів. Наприклад, між ОН групою тирозину і -N в кільці залишку гістидину.

електростатичні сили тяжіння між радикалами, що несуть протилежно заряджені іонні групи (іон-іонні взаємодії), наприклад, негативно заряджена карбоксильна група (– СОО –) аспарагінової кислоти та (NН 3 +) позитивно зарядженої -аміногрупою залишку лізину.

гідрофобні взаємодії обумовлені силами Ван-дер-Ваальса між неполярними радикалами амінокислот. (Наприклад, групами -СН 3 - аланіну.

Стабілізується третинна структура та ковалентним дисульфідним зв'язком (–S–S–) між залишками цистеїну. Цей зв'язок дуже міцний і присутній не у всіх білках. Важливу роль цей зв'язок грає в білкових речовинах зерна та борошна, т.к. впливає на якість клейковини, структурно-механічні властивості тіста і на якість готової продукції – хліба тощо.

Білкова глобула не є абсолютно жорсткою структурою: у відомих болях можливі оборотні переміщення частин пептидного ланцюга щодо один одного з розривом невеликої кількості слабких зв'язків та утворення нових. Молекула ніби дихає, пульсує у різних своїх частинах. Ці пульсації не порушують основного плану конформації молекули, подібно до того, як теплові коливання атомів у кристалі не змінюють структуру кристала, якщо температура не настільки велика, що настає плавлення.

Тільки після набуття білкової молекулою природної, нативної третинної структури він виявляє свою специфічну функціональну активність: каталітичну, гормональну, антигенну тощо. Саме при утворенні третинної структури відбувається формування активних центрів ферментів, відповідальних центрів за вбудовування білка в мультиферментний комплекс, центрів, відповідальних за самозбирання надмолекуляних структур. Тому будь-які дії (термічні, фізичні, механічні, хімічні), що призводять до руйнування цієї нативної конформації білка (розрив зв'язків), супроводжується частковою або повною втратою білком його біологічних властивостей.

Вивчення повних хімічних структур деяких білків показало, що у їх третинної структурі виявляються зони, де сконцентровані гідрофобні радикали амінокислот, і поліпептидна ланцюг фактично обмотується навколо гідрофобного ядра. Більш того, у ряді випадків у білковій молекулі відокремлюються два і навіть три гідрофобні ядра, в результаті виникає 2-х або 3-х ядерна структура. Такий тип будови молекули характерний для багатьох білків, які мають каталітичну функцію (рибонуклеаза, лізоцим і т.д.). Відокремлена частина або область молекули білка, яка володіє певною мірою структурною та функціональною автономією, називається доменом. У ряду ферментів, наприклад, відокремлені субстрат-зв'язуючі та кофермент зв'язуючі домени.

Третинна структура білка має пряме відношення до його форми, яка може бути різною: від кулястої до ниткоподібної. Форма білкової молекули характеризується таким показником, як ступінь асиметрії (відношення довгої осі до короткої). У фібрилярних або ниткоподібних білків ступінь асиметрії більше 80. При ступені асиметрії менше 80 білки відносяться до глобулярних. Більшість їх має ступінь асиметрії 3-5, тобто. третинна структура характеризується досить щільною упаковкою поліпептидного ланцюга, що наближається формою до кулі.

У біологічному відношенні фібрилярні білки відіграють дуже важливу роль, пов'язану з анатомією та фізіологією тварин. У хребетних цих білків припадає на частку 1/3 від їх загального змісту. Прикладом фібрилярних білків може бути білок шовку – фіброїн, що з кількох антипаралельных ланцюгів зі структурою складчастого листа. Білок -кератин містить від 3-7 ланцюгів. Колаген має складну структуру, в якій 3 однакові лівообертаючі ланцюги скручені разом з утворенням правоповертальної потрійної спіралі. Ця потрійна спіраль стабілізована численними міжмолекулярними водневими зв'язками. Наявність таких амінокислот, як гідроксипроліну та гідроксилізину також робить внесок в утворення водневих зв'язків, що стабілізують структуру потрійної спіралі. Всі фібрилярні білки погано розчинні або зовсім нерозчинні у воді, так як у їх складі міститься багато амінокислот, що містять гідрофобні, нерозчинні у воді R-групи ізолейцин, фенілаланін, валін, аланін, метіонін. Після спеціальної обробки нерозчинний і неперетравлюваний колаген перетворюється на желатин-розчинну суміш поліпептидів, який потім використовують у харчовій промисловості.

Глобулярні білки виконують різноманітні біологічні функції. Вони виконують транспортну функцію, тобто. переносять поживні речовини, неорганічні іони, ліпіди тощо. До цього класу білків належать гормони, і навіть компоненти мембран і рибосом. Усі ферменти також глобулярні білки.

Білки містять дві або більша кількістьПоліпептидних ланцюгів називають олігомерними білками для них характерна наявність четвертинної структури. Поліпептидні ланцюги (проміри) в таких білках можуть бути однаковими або різними. Олігомірні білки називають гомогенними, якщо їх протомери однакові та гетерогенними, якщо їх протомери різні. Наприклад-білок гемоглобін складається з 4-х ланцюгів: двох-і двох-протомерів. Фермент-амілаза складається з 2-х однакових поліпептидних ланцюгів. В олігомерних білках кожен з поліпептидних ланцюгів характеризується своєю вторинною та третинною структурою, і називається субодиницею або протомером. Протоміри взаємодіють один з одним не будь-якою частиною своєї поверхні, а певною ділянкою (контактною поверхнею). Контактні поверхні мають таке розташування атомних угруповань, між якими виникають водневі, іонні, гідрофобні зв'язки. Крім того, геометрія протомерів також сприяє їхньому з'єднанню. Протоміри підходять один до одного як ключ до замку. Такі поверхні називають компліментарними. Кожен протомір взаємодіє з іншим у багатьох точках, це призводить до того, що з'єднання з іншими поліпептидними ланцюгами або білками неможливе. Такі компліментарні взаємодії молекул лежать в основі всіх біохімічних процесівв організмі. Під четвертинної структурою розуміють розташування полипептидных ланцюгів (протомерів) щодо одне одного, тобто. спосіб їх спільного укладання та упаковки з утворенням нативної конформації олігомерного білка, в результаті чого білок має ту чи іншу біологічну активність.