Білки. Будова та структурна організація.

Загальна кількість білків в клітині дорівнює 50% від її сухої маси. Їх функції різноманітні. Наприклад, біологічні каталізатори – ферменти – це білки, білкову структуру мають волосся та нігті. Білки складаються, в основному, з чотирьох елементів: вуглецю, кисню, водню та азоту. Різні білки можуть містити також сірку, фосфор, залізо, цинк та мідь.

Білки – це довгі лінійні полімери. Їх мономерами є амінокислоти. Вони досить різноманітні і загальна кількість відомих нам дорівнює більш як 170. Але у синтезі білку беруть участь лише 20 – 25 амінокислот, які весь час повторюються у всіх білках будь-якого походження – рослинного, тваринного чи бактеріального. Можливо це є доказом єдиного походження та еволюції всього живого на нашій планеті у тому числі і людини.

Будова амінокислот. Молекула амінокислоти складається з атому вуглецю, до якого приєднані з одного боку карбоксильна група (¾ СООН), а з іншого аміногрупа (¾ NH₂). До інших двох зв’язків вуглецю приєднується водень та так званий радикал, або бічний ланцюг, який може мати різний хімічний склад та просторову будову (рис.14).

Рис.14. Будова амінокислоти. Загальним для всіх амінокислот є наявність карбоксильної групи – СООН та аміногрупи – NH₂, а один з бічних ланцюгів утворений радикалом – R.

На рис.15 зображено радикали 20-ти основних амінокислот, які беруть участь у синтезі білку.

Рис.15. Радикали амінокислот, які беруть участь у синтезі білку. У дужках позначено їх скорочені назви.

Рослинні організми синтезують всі необхідні їм амінокислоти. Але у тварин частина амінокислот не синтезуються і тому вони надходять до організму з рослинною їжею. Такі амінокислоти називають незамінними. Це аргинін, гістидин (незамінні для дітей), ізолейцин, лейцин, фенілаланін, треонін, валін.

Утворення білкових молекул. Амінокислоти взаємодіють одна з одною з утворенням довгих полімерних ланцюгів. Така взаємодія відбувається між аміногрупою однієї амінокислоти та карбоксильною групою іншої (рис.16). Реакція, що відбувається між амінокислотами з виділенням води, називається реакцієй конденсації.

Рис.16. З’єднання амінокислот у ланцюг. Гідроксильна група (– ОН) карбоксильної групи (– СООН) однієї амінокислоти з’єднується з атомом водню аміногрупи іншої, утворюючи молекулу води. По місцю звільнених зв’язків виникає ковалентний азот-вуглецевий зв’язок – пептидний зв’язок – СО – NH –.

Утворена сполука складається з двох амінокислот, тобто це буде дипептид. Його назва складається з назв відповідних амінокислот – гліциналанін. До дипептида можна приєднати ще одну амінокислоту з утворенням трипептиду, потім ще одну – тетрапептиду, а подальше нарощування пептидного ланцюгу утворює поліпептид. Таким чином молекула білку являє собою поліпептид з великою мелекулярною вагою – від кількох тисяч до кількох мільйонів.

Одна з амінокислот – цистеїн – має сульфідний зв’язок – SH –. Якщо ці групи опинилися поруч, то вони здатні окислюватися з утворенням дисульфідного зв’язку. Такі зв’язки відіграють важливу роль у з’єднанні поліпептидного ланцюгу його окремими ділянками, або різних ланцюгів між собою (рис.17).

Рис.17. Утворення ковалентного дисульфідного зв’язку між двома молекулами цистеїну. При окисленні водень віднімається і між атомами сірки утворюється ковалентний зв’язок. При оборотному процесі – відновленні – дисульфідний зв’язок руйнується.

При синтезі білку довгі ланцюги амінокислот набувають певної геометричної форми. Така форма носить назву конформації, яка визначається послідовністю амінокислот. Розрізнюють чотири рівня конформації білкових молекул.

Первинний рівень характеризується числом та послідовністю амінокислот в поліпептидному ланцюгу. Вперше це вдалося встановити Ф.Сенгеру з університету Кембріджу при дослідженні гормона інсуліна. Робота тривала 10 років – з 1944 по 1954рр., за що вчений був нагороджений двома Нобелівськими преміями.

З’ясувалося, що інсулін складається з 51 амінокислоти і має молекулярну вагу 5733. Надалі встановлення первинної структури білків набуло широкого характеру і в наш час відома будова вже сотень білків.

Рис.18. Рівні організації білку: 1 – поліпептидний ланцюг первинної конформації; 2 - a- ланцюг вторинної структури; 3 – потрійна спіраль колагену; 4 - b - ланцюг; 5 – глобула білку, що складається з двох доменів (молекула гемоглобіну, що складається з двох a - і двох b - ланцюгів четвертинної структури).

Білки досить різноманітні. Так, в організмі людини їх близько 10 000. Розміри, вага, форма та властивості молекул білку визначаються кількістю та послідовністю амінокислот, що їх складають. Навіть заміна однієї амінокислоти призводить до зміни властивостей всієї молекули білку. Чергування амінокислот в поліпептидному ланцюгу визначає індивідуальність білку. Тобто, кожний організм має власну, індивідуальну, неповторну послідовність мономерів. На цій властивості побудований імунний захист організму, коли імунна система розпізнає чужий білок (вірусу, бактерії, алергену тощо) за чергуванням амінокислот і знищує його. При трансплантації тканин та органів індивідуальність білку викликає несумісність тканин і, як наслідок, розвивається реакція відторгнення імплантанту. Її долають застосовуючи так звані імуннодепресанти, які пригнічують імунну систему. Таким чином, 20 амінокислот чергуючись в молекулі білку в різній послідовності, обумовлюють всю його різноманітність.

Вторинна структура білкової молекули утворюється внаслідок скручування поліпептидного ланцюгу немов би у пружину. Це так звана a-спіраль, яка утримується завдяки водневим зв’язкам між СО – та NH – групами. Наприклад, таку a-спіральну конформацію має білок волосся, нігтів, кігтів, пір’я, рогів кератин. Вторинна конформація білку є найбільш міцною (рис.18).

Відомий і інший варіант “укладення” поліпептидних ланцюгів. Вони бувають витягнуті дужче, ніж a-спіралі, і укладені паралельно у вигляді шарів. Така конформація носить назву b -конформації. Прикладом такої конформації є білок натурального шовку – фіброїн. Ще один варіант укладання поліпептидних ланцюгів спостерігається у колагена – білку еластичних тканин. Тут три поліпептидних ланцюга скручуються разом, утворюючи потрійну спіраль. Такі білки міцні та гнучкі і з них побудовані кістки, сухожилки та хрящі. Але білки, які існують тільки у вигляді вторинної структури нечисельні і є скоріш винятком, ніж правилом.

Третинна структура притаманна більшості білків і являє собою компактну глобулу, тобто кулю (від лат. globulus – кулька). Згорнуті поліпептидні ланцюги глобули утримуються зв’язками трьох типів – іоними, водневими та дисульфідними. Крім того суттєву роль в утриманні третинної конформації відіграють гідрофобні взаємодії. Така взаємодія виникає внаслідок згортання пептидного ланцюгу бічними відгалуженнями амінокислот всередину. Саме бічні ланцюги є гідрофобними і стають захищеними від води. Навпаки, гідрофільні бічні ланцюги розташовуються ззовні (рис.19). Таку третинну структуру має, наприклад, молекула міоглобіну, білок, який бере участь у транспорті дихальних газів безпосередньо в м’язах.

Рис.19. Згортання поліпептидного ланцюгу у глобулу відбувається шляхом утворення гідрофобних взаємодій. Гідрофобні бічні ланцюги амінокислот орієнтуються всередину (показано темним кольором), а гідрофільні бічні ланцюги розташовуються назовні. Це дозволяє білкам триматися у водних розчинах і одночасно не допускати воду всередину глобули. Стрілками показано, що процес утворення глобули оборотний. При дії певних факторів хімічні зв’язки розриваються і глобула розкручується – відбувається денатурація білка.

Четвертинна структура спостерігається у найбільш складних білках. В утворенні глобули тут беруть участь кілька поліпептидних ланцюгів, які утримуються за рахунок гідрофобних взаємодій. Таку будову має молекула гемоглобіну, яка має по два a- та b-ланцюги.

Згортання поліпептидного ланцюга в глобулу відбувається в певній послідовності. На першій стадії утворюються водневі зв’язки з формуванням a–спіралей та b–шарів, тобто виникає вторинна структура. Така комбінація a–спіралей та b–шарів повторюється в багатьох білках і є найбільш поширеною. На їх основі будуються білки більш високого рівня організації, які називаються білковим доменом. Домени являють собою так звані модулі, з яких збираються глобулярні білки. Сам домен складається з ланцюгу близько 150 амінокислот. Звичайно глобули білків складаються з кількох доменів (рис. 20).

Рис. 20. Складна молекула гемоглобіну.

Найбільш складні глобулярні білки організуються в білкові агрегати. Звичайно шляхом такого складання утворюються також і надмолекулярні структури – ферментні комплекси, рибосоми, віруси тощо. Таким чином, кожний наступний рівень складності білкової молекули будується на попередньому. Функціонально білок здатний підтримувати біологічні функції лише набуваючи тримірної структури. Такий білок носить назву нативного.

Просторова конформація білку відіграє вирішальну роль у визначенні його функцій. Здатність глобули згортатися унікальним неповторним чином визначає точну відповідність структури виконуваним функціям. Постійність конформації, її хімічні властивості визначаються послідовністю амінокислот. Білки будуються так точно, що заміна навіть кількох атомів лише однієї амінокислоти може привести до фатальних наслідків. Звичайно така точність відшліфована мільйонами років еволюції і всі менш вдалі конформації були знищені природним добором.

Дата добавления: 2015-12-08