Структурата на протеиновата молекула. Нива на структурна организация на протеинова молекула или протеинова структура В процеса на функциониране протеиновите молекули

Добре " Молекулярни основижизнени процеси"

ПЛАН НА КУРСА

Лекция № 4. Механизми на функциониране на протеините

В последната лекция разгледахме взаимодействията, които определят пространствената структура на протеиновата молекула. Въпреки това, не всички протеинови групи, способни да влизат в такива взаимодействия, могат да намерят партньор в протеиновата молекула. IN водни разтворитези групи обикновено взаимодействат с молекули на разтворителя, а заредените групи взаимодействат с йони на сол, разтворени във вода. В жива клетка протеинови молекуличесто образуват слаби връзки с други молекули органична материя, включително протеини.

Тъй като в една протеинова молекула има много групи, които могат да влизат в нековалентни взаимодействия, такава молекула може да се свърже с Голям бройдруги молекули или образуват множество връзки с една от молекулите. Ако броят на взаимодействащите групи в две такива молекули е малък, се образуват нестабилни комплекси, които лесно могат да бъдат унищожени, например под действието на топлинно движение на молекулите. Ако обаче се образуват достатъчно голям брой водородни връзки между протеинова молекула и друга молекула и много места са свързани чрез електростатични, ван дер ваалсови и хидрофобни взаимодействия, тогава кооперативният ефект започва да се отразява, т.е. силата на комплекса става много по-голяма, отколкото следва от простото сумиране на енергията на образуваните връзки.

Това е възможно, ако реагиращите групи във взаимодействащите молекули са разположени по строго определен начин: отрицателно заредените групи на едната молекула са срещу положително заредените групи на другата и обратно, групите, които образуват водородни връзки, са близки и правилно ориентирани хидрофобните области на двете молекули са една срещу друга. Можем да кажем, че повърхностите на взаимодействащите си молекули имат допълнителна структура. Една протеинова молекула може да образува такива двойки само с молекули на строго определени вещества, което означава, че взаимодействията на протеиновата молекула с други вещества са строго специфични и се определят от нейната пространствена структура.

Протеинът може да образува комплекси с макромолекулни съединения и да образува надмолекулни комплекси, които са в основата на различни клетъчни и междуклетъчни структури. Примери за такива структури са например рибозомите и микротубулите. Първите са комплекс от специфични рибозомни протеини и РНК, а вторите са комплекс от многобройни тубулинови протеинови молекули, плътно прилепнали една до друга и подредени в спирала, докато самите тубулинови молекули са кълбовидни.

Поради взаимодействието между протеиновите молекули се образуват влакна от такива протеини като актин и колаген (фиг. 1). Поради по-малко специфични, но многобройни хидрофобни взаимодействия, протеините се свързват с мембраните. Няколко десетки протеинови молекули, образуващи разклонен комплекс с множество молекули киселинни полизахариди от три различни типа, са структурната основа за здравината на животинската хрущялна тъкан.

Има много такива примери. За нас е важно, че поради образуването на силни специфични комплекси с различни полимери, протеините изпълняват структурна функция, осигурявайки пространствената организация на живите системи. Стабилността на такива структури се дължи на силата на комплексите, които ги образуват, а силата на комплексите от своя страна се определя от специфичното многоцентрово свързване на техните компоненти.

Трябва да се каже, че образуването на такива специфични силни комплекси е характерно не само за протеините. Например чрез образование Голям бройводородни връзки успоредни целулозни молекули образуват здрави снопове - мицели, които са в основата на растителната клетъчна стена. Някои други полизахариди също са способни да образуват стабилни комплекси. Въпреки това, протеините се характеризират с много по-голямо разнообразие от образувани структури, което е в основата на клетъчната, тъканната и видовата специфичност.

Разпознаването от протеини, разположени на клетъчната повърхност, на специфични протеинови или непротеинови компоненти, разположени на повърхностите на други клетки, е в основата на междуклетъчното разпознаване, което води до образуването на тъкани и органи и подлежащата тъканна диференциация и развитие. многоклетъчни организми.

Въпреки това, протеиновите молекули могат да взаимодействат не само с макромолекулни съединения. малък органични молекулимогат да се свържат с протеинова молекула с достатъчно висока специфичност, но такива комплекси са по-малко издръжливи, т.к. броят на формираните слаби взаимодействия е много по-малък, отколкото в случая на макромолекулите (фиг. 2).

При свързване с протеини малките молекули могат да се деформират. Това отслабва химичните връзки и улеснява разкъсването им и образуването на нови връзки. В допълнение, един протеин може да свърже две или повече малки молекули, да ги сближи и да ги ориентира една спрямо друга по определен начин. Това улеснява реакциите между свързаните молекули и води до тяхното значително ускоряване. Такива протеини са ефективни катализатори и се наричат ензими.

Ензимите са най-многобройната група протеини. Всички реакции, протичащи в живите организми, се катализират от ензими, от които в момента са известни няколко хиляди. Дори такива прости организми като бактериите съдържат над 2000 различни ензима. Наборът от ензими, налични в даден организъм, определя неговите биосинтетични способности. Без участието на биоензими химична реакцияще се движи с пренебрежимо малка скорост и реакционните продукти не могат да се образуват в необходимите количества.

Ензимите са високоефективни, ускоряват реакциите милиони и милиарди пъти. В допълнение, ензимите се характеризират с висока специфичност. По правило един ензим ускорява превръщането на едно конкретно вещество в друго, строго определено вещество. Благодарение на това в клетката не се образуват странични продукти от реакциите, което е типично за повечето химични реакции.

Много ензими се характеризират с регулиране на тяхната активност от различни фактори, например определени вещества. Това позволява на клетката да не образува излишни количества вещества. Ако количеството на веществото надвишава необходимото за клетката ниво, активността на ензимите, участващи в неговия синтез, се потиска и когато съдържанието на това вещество в клетката намалее, активността на ензимите се възстановява отново.

Друго свойство на много ензими е способността да свързват две химични реакции. В този случай една реакция протича с освобождаване на енергия, а другата с абсорбция. Конюгирането на реакциите позволява да се осъществи втората реакция благодарение на енергията, освободена по време на първата, така че общият процес остава енергийно благоприятен. С помощта на такива ензими живите организми извършват повечето от реакциите при синтеза на сложни молекули, по-специално полимери.

Когато малки молекули се свързват с протеини, не само конформацията на малките молекули, но и конформацията на протеиновата молекула може да се промени. В някои случаи конформационните промени в протеина могат да бъдат много забележими и той придобива нови свойства, например може да се свързва с молекули на други протеини и нуклеинови киселини. Такива протеини, когато се появят определени вещества, предизвикват промени в активността на ензимите или работата на гените - така клетките реагират на химически сигнали.

Белтъците, които променят свойствата си, когато хормоните са свързани, се наричат рецептори. Те обикновено са разположени от външната страна на клетъчната мембрана и предават сигнал в клетката. В допълнение към хормоните, сигналите могат да бъдат хранителни вещества, молекули, чиято концентрация е свързана с общото състояние на клетката, като АТФ и др. Протеините, след като се свържат със сигнални молекули, могат да придобият афинитет към определени нуклеотидни последователности в ДНК. Такива протеини са репресори или активатори на гени.

Промяната в конформацията на протеина при свързване на вещества с ниско молекулно тегло обикновено е обратима, но в някои случаи преминаването на протеина от едно състояние в друго е свързано с промяна в веществото с ниско молекулно тегло. Най-често това вещество е АТФ. Една протеинова конформация се променя в друга след хидролиза на АТФ и протеинът се свързва с АДФ. По-нататъшната дисоциация на ADP и свързването на нова ATP молекула връща протеина в първоначалното му състояние.

На този принцип се основава работата на две групи протеини. Първият е транспортните АТФази. Тези протеини са вградени в мембраните. Те свързват молекули или йони от едната страна на мембраната и чрез хидролиза на АТФ ги пренасят от другата страна. Така необходимите вещества влизат в клетката, а ненужните вещества се извеждат от клетката. Такъв процес се нарича активен транспорт. Преносът на вещества също се извършва между цитоплазмата и клетъчните органели. В резултат на това всяка част от клетката има свой специфичен състав и извършва свои собствени процеси. Втората група протеини, които променят конформацията си при хидролиза на АТФ, са моторните протеини. Тези протеини са доста разнообразни, но подобни процеси са в основата на тяхното действие.

Два вида протеини образуват два вида комплекси - с АТФ и с АДФ или без нуклеотид. Преходът от едно състояние в друго става след хидролизата на АТФ, а обратният преход - след дисоциацията на АДФ и добавянето на АТФ. Самият преход предизвиква промяна в позицията на протеините един спрямо друг, което води до механично движение.

Един от видовете моторни протеини са "ходещите" протеини. Такъв протеин има две места на свързване с разширена протеинова структура, като например микротубула. Едното място се свързва силно в присъствието на АТФ, а другото в негово отсъствие. Ако няма АТФ, протеинът е прикрепен към микротубула от второ място. Свързването на АТФ води до факта, че първата секция също се свързва с микротубула на известно разстояние. Хидролизата на АТФ води до промяна в конформацията на протеина и конвергенция на местата на свързване. В този случай втората секция се изтегля до първата. След това, след дисоциацията на ADP, първият сегмент се отделя от микротубула и след добавянето на ATP той ще се свърже отново, но вече напреднал на определено разстояние (фиг. 3).

Друга група двигателни системи се състои от две протеинови нишки, свързани с протеин, който свързва и хидролизира АТФ. В мускулите това са актинови влакна, свързани с миозина; във флагелите и ресничките на еукариотите това са двойки микротубули, свързани с протеина динеин. Хидролизата на АТФ води до промяна в конформацията на миозина или динеина, което води до изместване на нишките една спрямо друга. Дисоциацията на ADP и добавянето на нова ATP молекула води до връщане към първоначалното му състояние. По този начин тези системи извършват възвратно-постъпателно движение, като мускулна контракция или флексия на флагела. За разлика от първия тип, самият протеин, хидролизиращ АТФ, не се движи.

По този начин, поради способността на протеините за многобройни слаби взаимодействия с определени молекули, се извършват всички най-важни жизнени процеси - образуването на специфични структури, създаването на необходимите вещества, предаването на сигнали и регулирането на процесите, транспортирането на вещества и създаването на определена вътрешна среда, механично движение.

Въпроси и задачи за самостоятелна работа

1. Благодарение на какви взаимодействия може белтъчна молекула да свърже молекула глюкоза?
2. Какви групи от протеинова молекула могат да участват в свързването на аланинова молекула?
3. Ако един ензим свързва две молекули, използвайки енергията на хидролизата на АТФ, колко места на свързване за малки молекули трябва да има?
4. Какви полимерни молекули могат да образуват комплекси с протеинови молекули? Какви връзки ще се образуват в този случай?
5. Един и същ хормон предизвиква различен отговор в клетките на различните тъкани. Каква може да е причината за това?

Литература

1. Alberts B., Bray D. et al. Молекулярна биологияклетки. гл. 3. - М.: Мир, 1986.
2.Ленингер А.Биохимия. гл. 9. - М.: Мир, 1985.

АА са мономерни структурни звенапротеиновата молекула, която изгражда полипептидната верига. АА може да бъде в две пространствени форми: Л-И Д-.Тези форми са огледално симетрични. В тях масивният страничен радикал R и Н-атомът, стоящ при α-въглерода, сменят местата си. Тези форми отсъстват само в глицина, чиято странична верига се състои от Н-атом. Страничните вериги са изградени от остатъци Л-аминокиселини, само те са кодирани от гени. D-остатъците не се кодират по време на синтеза на шаблонен протеин, а се синтезират от специални ензими. Рецемизация(преход на L- към D-) практически не се случва по време на биосинтезата, както и спонтанно в протеините, но често се случва по време на химичния синтез на пептиди.

Белтъчната молекула се характеризира с наличието на силна ковалентени относително слаб нековалентни връзки. Тази комбинация от ковалентни и нековалентни връзки осигурява на протеиновата молекула определена здравина и динамичност в процеса на функциониране (фиг. 1).

а – електростатично взаимодействие; b – водородни връзки; (в) взаимодействие на неполярни странични вериги, причинено от екструзията на хидрофобни радикали в "сухата" зона от молекули на разтворителя; (d) дисулфидни връзки (двойно извита линия показва гръбнака на полипептидната връзка).

Фигура 1 - Видове връзки в протеинова молекула (според Филипович).

ковалентенВ протеиновата молекула има два вида връзки: пептид и дисулфид.АА в протеиновата верига са свързани помежду си пептидвръзки СЪСИ натоми. Пептид или киселинно-амидна връзка ( -CO-NH-), е типична ковалентна връзка.Пептидната връзка възниква, когато карбоксилната група на една АА взаимодейства с аминогрупата на друга. Свободните амино и карбоксилни групи на образувания дипептид са способни отново да влязат в реакция на поликондензация с нови АА молекули, с образуването на съединение с високо молекулно тегло. По този начин, с помощта на пептидна връзка, аминокиселинните остатъци са свързани помежду си, образувайки правилен гръбнак на протеиновата молекула, от която се отклоняват различни странични групи (R 1 ... R M). Броят на страничните верижни връзки (М) е кодиран от гена и варира от няколко десетки до много хиляди. В процеса на биосинтеза на протеини, остатъците от отделни аминокиселини се комбинират помежду си в линейна последователност:

NH-CH-CO-NH-CH-CO- …-NH-CH-CO-

Наричат ​​се съединения, които се образуват в резултат на кондензацията на няколко АА пептиди(ди-, три-, тетрапептиди и др.). Пептидите могат да включват не само протеиногенни, но и непротеиногенни АА. Пептидите играят важна роля като междинни продукти в метаболизма и много от тях са физиологично много активни съединения. Пептиди са някои антибиотици (грамицидин, лихениформин), хормони (инсулин, окситацин, вазопресин), токсини (аманитини). Пептидите могат да бъдат затворена полипептидна верига, т.е. те могат да бъдат циклопептиди, а някои дори имат бициклична структура. Сред циклопептидите има силно токсични вещества (отровна гъба бледа гмурка ( Amanita phalloides).

Имената на пептидите се определят от имената на включените в него АА, изброени последователно, започвайки от N-края, и наставката -in- в имената на всички АА, с изключение на С-терминалния, който има свободна СООН група (карбоксил), се заменя с наставката -ил. Например, ако две молекули аланин и една молекула глицин участват в образуването на три пептида, трипептидът се нарича аланилаланилглицин или алаалагли. Аминокиселините са съкратени като трибуквени символи (Таблица 1).

Таблица 1 - Съкращения за аминокиселини

Важна роля в стабилизирането на пространствената структура на протеиновата молекула играе ковалентни дисулфидни връзки (-S-S-), които се образуват в резултат на окисляването на сулфхидрилни групи на цистеинови остатъци. Дисулфидните връзки могат да се образуват между цистеинови остатъци на две полипептидни вериги или два цистеинови остатъка на една полипептидна верига, като същевременно стабилизират определена конформация на протеиновата молекула. При стабилизирането на конформацията на протеиновата молекула съществена роля играе нековалентни връзкиИ взаимодействия.Те включват хидрофобни, електростатични, йонни взаимодействия, както и водородни връзки. Те поддържат пространствената структура на протеина много по-слабо от химичните връзки, които фиксират последователността на мономерите (AA) в протеиновата верига.

Хидрофобно взаимодействиевъзниква, когато хидрофобните въглеводороди и ароматните радикали на някои аминокиселини (аланин, валин, левцин, изолевцин, фенилаланин и триптофан) се обединят. Процесът на хидрофобно взаимодействие може да бъде представен като движение на неполярни групи от полипептидната верига (метил -СН 3, етил -С 2 Н 5, фенил -С 6 Н 6) от вода към хидрофобни области, образувани поради асоциирането от тези групи. Благодарение на това движение неполярните групи влияят в непосредствена близост една до друга във вътрешната част на молекулата, а хидрофилните групи са разположени на повърхността и са в контакт с водата.

Водородни връзкиобразувани между водородни атоми, ковалентно свързани с атом, съдържащ несподелена електронна двойка или друг електроотрицателен атом. В биологичните структури водородната връзка най-често се образува от водороден атом, свързан с кислород или азот. Водородните връзки могат да бъдат интра- и междуверижни. Вътрешижните водородни връзки стабилизират α-спиралните, а междуверижните - β-листови структури.

Йонни (солеви) връзки.Предполага се, че те се образуват между дисоциираните свободни карбоксилни групи (COO-) на моноаминодикарбоксилните аминокиселини (глутаминова и аспарагинова) и протонираните свободни аминогрупи (NH3+) на диамино-монокарбоксилните аминокиселини. Йонните връзки могат да бъдат интра- и междуверижни.

Нива на структурна организация на молекулатакатерица. Функционалните свойства на протеините се определят от последователността на АА и тяхната пространствена структура. От тази гледна точка разграничават четири нива: първични, вторични, третични и кватернерни структури.

Под първична структураразбират качествения и количествения състав на АА, както и тяхната последователност в полипептидните вериги на протеиновата молекула. Една протеинова молекула може да има една или повече полипептидни вериги. Например ензимна молекула рибонуклеазипредставлява една полипептидна верига, имаща осем цистеинови остатъка, образуващи четири вътрешномолекулни дисулфидни връзки. Хормонът инсулин се състои от две полипептидни вериги, свързани с дисулфидни мостове между цистеинови остатъци.

Вторичната структура показва пространствената конфигурация на протеиновата молекула. Има три типа вторична структура: α-спирала, β-лист и колагенова спирала.

Важна роля в стабилизирането на вторичната структура играят водородни връзки, които възникват между водородния атом, свързан с електроотрицателния азотен атом на една пептидна връзка, и карбонилния кислороден атом на четвъртата от него аминокиселина и са насочени по оста на спиралата. Енергийните изчисления показват, че дясната α-спирала е по-ефективна (фиг. 2). Фибриларните α-кератини (вълна, кожа, пера) се състоят от няколко полипептидни вериги с правилна α-спирална конфигурация и образуват силни суперспирали, които изпълняват механични функции.

Фигура 2 - α-спирална конфигурация на протеиновата структура

Друг вид протеинова вторична структура се нарича β-надиплена структураили β-нагънат слой. На фиг. Фигура 3 показва модел на такава структура (а – изглед отстрани, б – изглед отгоре). Точките на фигурата показват междуверижния водород-

Фигура 3 - β-кратна конфигурация на протеиновата структура

връзки. При такова пространствено разположение се образува система от паралелно и антипаралелно разположени фрагменти от една или повече полипептидни вериги. Полипептидните вериги в оформленията са напълно разширени. Гънките се появяват поради факта, че равнините на две съседни пептидни връзкиобразуват някакъв ъгъл. Системата се стабилизира чрез омрежени водородни връзки между вериги, които са перпендикулярни на ориентацията на полипептидните връзки. Разстоянието между веригите е 0,95 nm, а периодът на идентичност по веригата е 0,70 nm за паралелни вериги и 0,65 nm за антипаралелни. Тази структура е характерна за фибриларните протеини (β-кератин, фиброин и др.). По-специално, β-кератинът се характеризира с паралелно подреждане на полипептидни вериги, които са допълнително стабилизирани чрез междуверижни S-S връзки. В копринения фиброин съседните полипептидни вериги са антипаралелни.

Третият тип вторична структура е колагенова спирала. Състои се от три спирални вериги, оформени като пръчка с диаметър 1,5 nm и дължина около 300 nm. Спиралните вериги се усукват една около друга и образуват суперспирала. Разстоянието между два AA остатъка по оста на спиралата е 0,29 nm и има 3,3 остатъка на завъртане на спиралата. Колагеновата спирала се стабилизира чрез водородни връзки между водорода на пептидните NH групи на АА остатъците на едната верига и кислорода на СО групите на АА остатъците на другата верига. Тази структура придава на протеина висока еластичност и здравина.

Третична структура.Повечето протеини в нативно състояние имат много компактна структура, която се определя от размера, формата, полярността на АА радикалите, както и от АА последователността (фиг. 4). Образуването на естествена глобуларна структура е многокомпонентен процес, базиран на различни видове нековалентни взаимодействия. Превръщането на разгъната полипептидна верига в компактна молекула е придружено от хидрофобни взаимодействия на въглеводородни радикали на такива АК като левцин, изолевцин, фенилаланин, триптофан, които са достатъчно отдалечени един от друг в полипептидната верига. Почти всички неполярни или хидрофобни радикалитези АА са разположени вътре в глобулата и осигуряват стабилността на нейната структура. Полярните или йонни радикали (особено аспарагинова и глутаминова киселини, аргинин и лизин) са разположени на външната повърхност на молекулата и са в хидратирано състояние. В гънките на полипептидната верига са локализирани остатъци от такива АК като пролин, изолевцин и серии, които не са способни да образуват α-спирални структури. По този начин, между АА последователността в протеина и неговата конформация има близка връзка. Разликите в аминокиселинния състав и в последователността на отделните АА остатъци предизвикват появата на локални нестабилни точки в полипептидната верига, при които се нарушава стабилността на α-спиралата и под въздействието на различни молекулярни силимогат да се създават завои.

Фигура 4 - Третична структура на протеина

Хидрофобните и йоногенните взаимодействия, водородните връзки и др., имат значително влияние върху формирането на нативната конформация на протеина или неговата третична структура.Под действието на тези сили се постига термодинамично подходяща конформация на протеиновата молекула и нейното стабилизиране . След завършване на процеса на сгъване на полипептидната верига, ковалентните дисулфидни връзки играят важна роля в стабилизирането на нейната конформация.

Понастоящем е дешифрирана третичната структура на миоглобина, хемоглобина, РНКазата, лизозима, химотрипсина, карбоксипептидазата и други протеини.

Под кватернерна структураима се предвид характерен начин за комбиниране и подреждане в пространството на отделни полипептидни вериги, които изграждат една функционално индивидуална молекула. Съставът и сложността на първичните, вторичните и третичните структури на субединиците може да варира значително. Например, молекулата на хемоглобина се състои от четири субединици, които са комбинирани в мултимер с молекулно тегло 60 000-70 000, РНК полимераза от E. coliима пет субединици, а протеинът на вируса на тютюневата мозайка съдържа няколко хиляди идентични субединици с молекулно тегло около 17 500 всяка. Във формирането на кватернерната структура участват водородни връзки, електростатични, ван дер ваалсови и хидрофобни взаимодействия.

Кватернерната структура на някои протеини се характеризира с глобуларно подреждане на субединици (хемоглобин), други протеини се комбинират в спирални кватернерни структури според вида на спиралната симетрия (вирус на тютюневата мозайка). Кватернерната структура е установена за хемоглобина, вируса на тютюневата мозайка, РНК полимераза, лактатдехидрогеназа, каталаза, аспартат карбомоилаза и др.

Първична структура - последователност от аминокиселини в полипептидна верига. В една протеинова молекула, редуващи се твърди (пептидна връзка) и гъвкави (α-въглероден атом) участъци образуват компактна верижна гънка в пространството.

Метод Акоборие да се използва фенилхидразин. Фенилхидразинът разрушава пептидните връзки в протеина и се свързва с всички аминокиселини, с изключение на С-края. Последващият хроматографски анализ прави възможно разпознаването на С-терминалната аминокиселина в протеина.

Важно е изследването на първичната структура общобиологично и медицинско значение:

1. първичната структура е определяща за последващите структури на протеина.
2. познаването на първичната структура на протеина е необходимо за изкуствения синтез на протеини.
3. първичната структура определя видовата специфика, например в инсулиновия протеин, обикновено в средата на молекулата при различни животински видове и хора, като правило, се заменят 3 еквивалентни аминокиселини.
4. промени в първична структураможе да доведе до много заболявания, например до сърповидно-клетъчна анемия, при която в хемоглобина в β веригата на 6 позиция глутаминовата киселина се заменя с валин. Това заместване на нееднаква аминокиселина води до нарушена функция на хемоглобина и появата на червени кръвни клетки с форма на полумесец.

Вторична структура -редовно повтаряща се форма на полипептидната верига в пространството. Най-често в протеините се срещат 2 вида вторична структура: α - спирала и β - структура.

α - спиралапрез 1951 г. изследван от L. Pauling с помощта на метода на рентгеновата дифракция. Това е дясна спирална структура, в един оборот от която се побират 3,6 аминокиселини. Стъпката на спиралата (разстоянието между съседни навивки) е 0,54 nm. α - спиралата е фиксирана от водородни връзки, които са затворени между пептидни връзки, образувани от всяка 4-та аминокиселина. Вторичната α - структура се напасва спонтанно и се определя от първичната структура на протеина. Пропорцията на областите, подредени в спирална структура, е различна в различните протеини. Например, в хемоглобина, миоглобина, преобладава α - структурното опаковане, което намалява размера на протеиновата молекула 4 пъти.

β-структураима формата на "акордеон" и се стабилизира от водородни връзки между отдалечени участъци на една полипептидна верига или между няколко протеинови молекули. Разпределете паралелни β-структури, в които N и C-терминалите съответстват един на друг, и антипаралелни структури. Пример за протеини, които съдържат предимно β-структури, са имуноглобулините.

Вторичната структура се изследва чрез методите на рентгенов дифракционен анализ, изследване на абсорбцията на ултравиолетови лъчи от протеина (колкото по-голям е делът на α-структурите, толкова по-голяма е абсорбцията).

Вторичната структура се разрушава по време на денатурацията.

Третична структура - сспецифична за всеки протеин форма на пакетиране на полипептидната верига в пространството. Тази структура се формира спонтанно и се определя от първичната структура. Третичната структура значително, с десетки увеличава компактността на протеина. В образуването на третичната структура участват нековалентни връзки (хидрофобни, йонни) и ковалентни (дисулфидни) връзки.

Третичната структура определя биологична активности физикохимични свойства на протеините. Ако се наруши третичната структура, протеинът губи своята биологична активност.

Методи за изследване на третичната структура са рентгенов дифракционен анализ и определяне на химичната активност на отделните аминокиселинни радикали в протеина. Третичната структура на протеина миоглобин е изследвана за първи път от J. Kendrew (1957). M. Perutz (1959) изследва структурата на хемоглобина.

Третичната структура на протеините включва α - спирални, β - нагънати структури, β-бримки (в които полипептидната верига се огъва на 180 0) и така наречената неподредена намотка. Например инсулиновият протеин съдържа 57% α-спирални участъци, 6% β-нагънати структури, 10% от молекулите са подредени под формата на β-примки и 27% от молекулата са неподредена намотка.

Комбинацията от първично, вторично, третично е потвърждение протеинова молекула. Доживотната (нативна) конформация се формира спонтанно и нейното образуване се нарича сгъване. Конформацията на протеините е много нестабилна и се образува с участието на специални протеини - придружители(придружители). Шапероните са способни да се свързват с частично денатурирани, нестабилни протеини и да възстановяват естествената си конформация. Шапероните се класифицират според молекулно тегло(60 - 100 cd.). Най-изследваните Ш-60, Ш-70 и Ш-90. Например, W-70 взаимодейства с протеини, богати на хидрофобни радикали, и ги предпазва от високотемпературна денатурация. Като цяло, шапероните предпазват основните телесни протеини, предотвратяват денатурацията и насърчават образуването на конформация, улесняват транспорта на денатурирани протеини в лизозомите и участват в процеса на протеинов синтез.

Според конформацията всички протеини се разделят на три групи:

• фибриларни протеини: колаген, еластин, фиброин.
• Глобуларни протеини: хемоглобин, албумин, глобулин.
• Смесени протеини: миозин.

Третичната структура е присъща на всички протеини. Само олигомерните протеини имат кватернерна структура, която съдържа няколко субединици, протомери. Протомерът е отделна полипептидна верига, субединицата е функционално активна част от олигомерен протеин. Една субединица може да съдържа един или повече протомери.

Кватернерна структура -броя и взаимното разположение на субединиците в олигомерните протеини. Само олигомерните протеини имат кватернерна структура, която съдържа няколко субединици, протомери. Протомерът е отделна полипептидна верига, субединицата е функционално активна част от олигомерен протеин. Една субединица може да съдържа един протомер или множество протомери.

При образуването на кватернерната структура участват крехки нековалентни връзки (хидрофобни, йонни, водородни). Кватернерната структура на протеините се образува спонтанно и лесно се разрушава по време на денатурация. Индивидуалните субединици в протеиновия олигомер взаимодействат помежду си, което води до промяна в третичната структура на отделните протомери. Това явление се нарича кооперативни промени в конформацията на протомера и обикновено е придружено от повишаване на протеиновата активност.

Олигомерните протеини имат редица характеристики в сравнение с мономерните протеини.

• Те имат много компактна гънка и относително малък интерфейс, следователно, разположени вътреклетъчно, те свързват по-малко вода.
• Тяхната дейност се регулира в организма. Протомерите обикновено са неактивни, докато олигомерните протеини са много по-активни.
• Ако един и същи тип протомери участват в синтеза на олигомерен протеин, това спестява генетичен материал (няколко идентични протомери се „щамповат“ върху къс участък от ДНК)
• Те са функционално по-адаптирани към условията на организма.

Функционалността на олигомерните протеини е илюстрирана чрез сравняване на хемоглобинови и миоглобинови протеини, участващи в транспорта на кислород в тъканите. Еритроцитният хемоглобин е олигомерен протеин, който включва 4 полипептидни вериги. Мускулният миоглобин е мономерен протеин, който включва 1 полипептидна верига. Кривата на насищане на миоглобина с кислород показва пряка зависимост от концентрацията на кислород. За хемоглобина кривата на насищане с кислород е S-образна. Това се дължи на постепенно последователно изменение на структурата (конформацията) на всеки от 4-те протомера в състава на хемоглобина, в резултат на което афинитетът на хемоглобина към кислорода рязко нараства. Този характер на насищане на хемоглобина с кислород рязко увеличава неговия кислороден капацитет в сравнение с миоглобина.

Особено място сред протеините заемат доменни протеини .

Домейните са структурно и функционално отделни участъци от една полипептидна верига. Домейните могат да бъдат отговорни за взаимодействието на протеин с различни вещества - лиганди (субстанции с ниско молекулно тегло, ДНК, РНК, полизахариди и др.) Примери за доменни протеини са кръвен серумен албумин, имуноглобулини и някои ензими (панкреатичен трипсин).

Посредством висока селективностпротеини, те могат да се обединяват в комплекси, които най-често се наричат ​​полиензимни комплекси - това са структурни асоциации на няколко ензима, които катализират отделни етапи на сложен химичен процес. Пример: пируват дехидрогеназен комплекс (PDC) е комплекс от три вида ензими, които катализират окисляването на пирогроздена киселина (PVA).

Възможно е специфична комбинация от не само отделни протеини, но и протеини с липиди (мазнини) по време на образуването клетъчни мембрани, протеини с нуклеинова киселинапо време на образуването на хроматин.

физико- Химични свойствапротеини.

Те се определят до голяма степен от конформацията на белтъчната молекула (първична – третична структура на белтъка). Физикохимичните свойства на протеините се проявяват в разтвори.

Разтворимостпротеини в различните протеини е различно.

Като цяло разтворимостта на протеините е висока, но е различна за различните видове протеини. Влияят се от следните фактори:

• формата на протеиновата молекула (глобуларните протеини са по-разтворими от фибриларните протеини)
• природата на аминокиселинния радикал на протеина, съотношението на полярните неполярни радикали (колкото повече полярни хидрофилни радикали в протеина, толкова по-добра е неговата разтворимост)
• свойства на разтворителя, наличие на соли. Ниската концентрация на соли (KCL, NaCl) понякога повишава разтворимостта на протеините. Например, албумините са по-добре разтворими в чиста дестилирана вода, глобулините се разтварят само в присъствието на 10% соли (KCL, NaCl). Протеините на съединителната тъкан колаген и еластин са неразтворими нито във вода, нито във физиологични разтвори.

Молекулна масапротеини е доста голям, вариращ от 6000 до 1 000 000 дни.Например, молекулното тегло на хемоглобина е 68 000 дни, албумина е 100 000 дни, рибонуклеазата е около 14 000 дни, миозина е 500 000 дни.

Методи за определяне на моларната маса на протеинитрябва да щади, а не да разрушава протеиновите молекули. Например ебулиоскопският метод, базиран на измерване на точката на кипене на разтвори, не е приложим за протеини. Най-точните методи за определяне на молекулното тегло на протеините са методът на ултрацентрофугиране и методът на рентгенова дифракция.

Метод на ултрацентрофугиране(седиментация) се основава на промяна в скоростта на утаяване на протеини с различно молекулно тегло по време на въртене на протеинови разтвори с висока скорост. Молекулното тегло на протеините, установено чрез този метод, се означава с единицата Svedberg (S=10 -13 c.)

Рентгенов дифракционен методви позволява да изчислите молекулното тегло чрез анализиране на множество рентгенови изображения на протеинова молекула.

Електрофоретичен методвъз основа на зависимостта на скоростта на движение на протеини в постоянно електрическо поле от молекулното тегло на протеина (електрофоретична мобилност е по-висока за протеини с по-ниско молекулно тегло)

Хроматографски методсе основава на различната скорост на преминаване на различни протеини през молекулни гел "сита".

Големите молекули, по-големи от размера на порите на гела, преминават през гела по-бързо от по-малките протеинови молекули, които са уловени в зърната на гела.

Метод на електронна микроскопиясе извършва чрез сравняване на размера на протеиновата молекула с референтни проби с известна маса.

Химични методисвързани с функции химичен съставпротеини

Формата на протеиновите молекулиразличен. Протеиновите молекули могат да бъдат фибриларни и кълбовидни по форма. Фибриларните протеини имат нишковидна молекулна форма. Те обикновено са неразтворими във вода и в разредени физиологични разтвори. Фибриларните протеини включват основните структурни протеини на съединителната тъкан: колаген, кератин, еластин. В глобуларните протеини полипептидните вериги са плътно нагънати в компактни сферични структури. Повечето глобуларни протеини са силно разтворими във вода и слаби солеви разтвори. Глобуларните протеини включват ензими, антитела, албумини, хемоглобин. Някои протеини имат междинна форма на молекулата, съдържаща както нишковидни, така и сферични области в състава си. Пример за такива протеини е мускулният протеин миозин, който е разтворим във физиологични разтвори.

Размери на протеиновите молекулиса в диапазона от 1 до 100 nm, близки до размера на колоидните частици. Поради това протеиновите разтвори имат свойствата както на истинските разтвори, така и на колоидните разтвори.

Много молекулярно-кинетични свойства на протеиновите разтвори са подобни на свойства на колоидните разтвори .

• Бавната скорост на дифузия на протеини, необходима за техния обмен.
• Невъзможността за преминаване на протеини през полупропускливи мембрани. В отделения с висока концентрация на протеин се създава прекомерно хидростатично налягане поради едностранното движение на водните молекули през полупропусклива мембрана настрани висока концентрациякатерица. Излишното налягане, създадено от протеините, се нарича онкотично налягане. Той е важен фактор, определящ движението на водата между тъканите, кръвта, червата.
• Високият вискозитет на протеините се дължи на различни междумолекулни взаимодействия на големи протеинови молекули. По-специално, повишеният вискозитет на кръвта увеличава натоварването на сърдечния мускул.
• Някои протеини могат да образуват гелове, което увеличава силата на протеините (например колаген).

Оптични свойства на протеините се определя от размера на протеиновите молекули, структурата на аминокиселинните радикали в протеините, наличието на пептидни връзки и алфа-спирални области в протеините.

• Протеиновите разтвори имат ефектът на пречупване на светлината (пречупване) и разсейване на светлината.Тези свойства се дължат на големия размер на белтъчните молекули, съизмерим с дължината на вълната на видимата част от спектъра.В този случай късите сини лъчи се разсейват в по-голяма степен от по-дълговълновите червени лъчи. Степента на пречупване е пропорционална на концентрацията на протеиновия разтвор.
• Протеинови разтвори абсорбира ултравиолетовите лъчив диапазона 190-230 nm поради наличието на пептидни връзки и в диапазона 260-280 nm поради наличието на циклични аминокиселини в протеините. Степента на UV абсорбция е пропорционална на концентрацията на протеин в разтвора.
• Протеиновите разтвори са способни на завъртете равнината на поляризирана светлина,което се дължи на оптичната активност на съдържащите се в протеина аминокиселини и наличието на алфа-спирални участъци в него. Съществува пряка връзка между поляризацията на светлината и концентрацията на протеини в разтвора.

Протеините, като молекулни разтвори, имат свойства на истинските разтвори . Тъй като са истински разтвори, протеиновите разтвори са много стабилни.

Билет 2. 1. Основни хранителни фактори от липиден характер.Някои липиди не се синтезират в човешкото тяло и поради това са незаменими хранителни фактори. Те включват мастни киселини с две или повече двойни връзки (полиени) - незаменими мастни киселини.Някои от тези киселини са субстрати за синтеза на локални хормони – ейкозаноиди (тема 8.10).

Мастноразтворими витаминиизпълнява различни функции: витамин Аучаства в процеса на зрение, както и в растежа и диференциацията на клетките; доказана е способността му да инхибира растежа на определени видове тумори; витамин Кучаства в съсирването на кръвта; витамин Dучаства в регулирането на калциевия метаболизъм; витамин Е- антиоксидант, инхибира образуването на свободни радикали и по този начин противодейства на увреждането на клетките в резултат на липидна пероксидация.

Документ

2. Структура и нива на структурна организация на белтъците

Има четири нива на структурна организация на протеините: първично, вторично, третично и кватернерно. Всяко ниво има свои собствени характеристики.

Първична структура на протеин

Първичната структура на протеините е линейна полипептидна верига от аминокиселини, свързани с пептидни връзки. Първичната структура е най-простото ниво на структурна организация на протеинова молекула. Висока стабилност му придават ковалентните пептидни връзки между α-аминогрупата на една аминокиселина и α-карбоксилната група на друга аминокиселина. [покажи].

Ако иминогрупата на пролин или хидроксипролин участва в образуването на пептидна връзка, тогава тя има различна форма [покажи].

Когато в клетките се образуват пептидни връзки, карбоксилната група на една аминокиселина първо се активира и след това се комбинира с аминогрупата на друга. Приблизително по същия начин се извършва лабораторен синтез на полипептиди.

Пептидната връзка е повтарящ се фрагмент от полипептидна верига. Той има редица характеристики, които засягат не само формата на първичната структура, но и най-високите нива на организация на полипептидната верига:

копланарност – всички атоми в пептидната група са в една равнина;

способността да съществува в две резонансни форми (кето или енолна форма);

транспозицията на заместителите по отношение на C-N връзката;

способността да образуват водородни връзки и всяка от пептидните групи може да образува две водородни връзки с други групи, включително пептидни.

Изключение правят пептидните групи с участието на аминогрупата на пролин или хидроксипролин. Те могат да образуват само една водородна връзка (виж по-горе). Това влияе върху образуването на вторичната структура на протеина. Полипептидната верига на мястото, където се намира пролин или хидроксипролин, лесно се огъва, тъй като не се държи, както обикновено, от втора водородна връзка.

Номенклатура на пептидите и полипептидите. Името на пептидите се формира от имената на съставните им аминокиселини. Две аминокиселини образуват дипептид, три трипептид, четири тетрапептид и т. н. Всяка пептидна или полипептидна верига с произволна дължина има N-крайна аминокиселина, съдържаща свободна аминогрупа, и С-крайна аминокиселина, съдържаща свободен карбоксил група. Когато се наименуват полипептиди, всички аминокиселини се изброяват последователно, като се започне от N-края, като се замества в имената им, с изключение на С-края, наставката -in към -yl (тъй като аминокиселините в пептидите вече нямат карбоксилна група, но карбонилна). Например името, показано на фиг. 1 трипептид - левк тиняфенилалана тинятреон в.

Характеристики на първичната структура на протеина. В гръбнака на полипептидната верига твърдите структури (плоски пептидни групи) се редуват с относително подвижни области (-CHR), които могат да се въртят около връзки. Такива характеристики на структурата на полипептидната верига влияят върху нейното опаковане в пространството.

Вторична структура на протеин

Вторичната структура е начин за поставяне на полипептидната верига в подредена структура поради образуването на водородни връзки между пептидните групи на една верига или съседни полипептидни вериги. По конфигурация вторичните структури се разделят на спираловидни (α-спирала) и слоесто-нагънати (β-структура и кръстосана β-форма).

α-спирала. Това е вид протеинова вторична структура, която има формата на правилна спирала, образувана поради интерпептидни водородни връзки в рамките на една полипептидна верига. Структурният модел α-спирала (фиг. 2), който отчита всички свойства на пептидната връзка, е предложен от Pauling и Corey. Основните характеристики на α-спиралата:

спирална конфигурация на полипептидната верига, имаща спирална симетрия;

образуването на водородни връзки между пептидните групи на всеки от първия и четвъртия аминокиселинен остатък;

редовността на завоите на спиралата;

еквивалентността на всички аминокиселинни остатъци в α-спиралата, независимо от структурата на техните странични радикали;

страничните радикали на аминокиселините не участват в образуването на α-спирала.

Външно α-спиралата изглежда като леко разтегната спирала на електрическа печка. Редовността на водородните връзки между първата и четвъртата пептидна група също определя редовността на завоите на полипептидната верига. Височината на един оборот или стъпката на α-спиралата е 0,54 nm; включва 3,6 аминокиселинни остатъка, т.е. всеки аминокиселинен остатък се движи по оста (височината на един аминокиселинен остатък) с 0,15 nm (0,54:3,6 = 0,15 nm), което ни позволява да говорим за еквивалентността на всички аминокиселини остатъци в α-спиралата. Периодът на редовност на α-спиралата е 5 оборота или 18 аминокиселинни остатъка; дължината на един период е 2,7 nm. Ориз. 3. α-спирален модел на Полинг-Кори

β-Структура. Това е вид вторична структура, която има леко извита конфигурация на полипептидната верига и се образува с помощта на интерпептидни водородни връзки в отделни участъци на една полипептидна верига или съседни полипептидни вериги. Нарича се още слоесто-нагъната структура. Съществуват разновидности на β-структури. Ограничените слоести области, образувани от една полипептидна верига на протеин, се наричат ​​кръстосана β-форма (къса β-структура). Между пептидните групи на бримките на полипептидната верига се образуват водородни връзки в кръстосана β форма. Друг тип, пълната β-структура, е характерна за цялата полипептидна верига, която има удължена форма и се задържа от интерпептидни водородни връзки между съседни паралелни полипептидни вериги (фиг. 3). Тази структура напомня духало на акордеон. Освен това са възможни варианти на β-структури: те могат да бъдат образувани от паралелни вериги (N-терминали на полипептидни вериги са насочени в една и съща посока) и антипаралелни (N-терминали са насочени в различни посоки). Страничните радикали на един слой се поставят между страничните радикали на друг слой.

В протеините са възможни преходи от α-структури към β-структури и обратно поради пренареждането на водородните връзки. Вместо редовни интерпептидни водородни връзки по веригата (поради тях полипептидната верига е усукана в спирала), спиралните участъци се развиват и водородните връзки се затварят между удължените фрагменти на полипептидните вериги. Такъв преход се намира в кератина, протеин на косата. При измиване на косата с алкални препарати спиралната структура на β-кератина лесно се разрушава и той преминава в α-кератин (къдравата коса се изправя).

Разрушаването на редовните вторични структури на протеините (α-спирали и β-структури), по аналогия с топенето на кристал, се нарича "топене" на полипептиди. В този случай водородните връзки се разкъсват и полипептидните вериги приемат формата на произволна намотка. Следователно стабилността на вторичните структури се определя от междупептидните водородни връзки. Други видове връзки почти не участват в това, с изключение на дисулфидните връзки по протежение на полипептидната верига в местата на цистеинови остатъци. Късите пептиди, дължащи се на дисулфидни връзки, са затворени в цикли. Много протеини едновременно имат α-спирални области и β-структури. Почти няма естествени протеини, състоящи се от 100% α-спирала (изключение прави парамиозин, мускулен протеин, който е 96-100% α-спирала), докато синтетичните полипептиди имат 100% спирала.

Други протеини имат различна степен на спиралност. Висока честота на α-спирални структури се наблюдава в парамиозина, миоглобина и хемоглобина. Напротив, в трипсина, рибонуклеазата, значителна част от полипептидната верига се вписва в слоести β-структури. Поддържащи тъканни протеини: кератин (протеин на косата, вълна), колаген (протеин на сухожилията, кожа), фиброин (естествен копринен протеин) имат β-конфигурация на полипептидни вериги. Различната степен на спирализиране на полипептидните вериги на протеините показва, че очевидно има сили, които частично нарушават спиралността или "нарушават" правилното нагъване на полипептидната верига. Причината за това е по-компактното опаковане на протеиновата полипептидна верига в определен обем, т.е. в третичната структура.

Третична структура на протеин

Третичната структура на протеина е начинът, по който полипептидната верига е нагъната в пространството. Според формата на третичната структура белтъците се разделят основно на глобуларни и фибриларни. Глобуларните протеини най-често имат елипсовидна форма, а фибриларните (нишковидни) протеини са удължени (формата на пръчка, вретено).

Въпреки това, конфигурацията на третичната структура на протеините все още не дава основание да се мисли, че фибриларните протеини имат само β-структура, а глобуларните α-спирални. Има фибриларни протеини, които имат спирална, а не слоесто-нагъната вторична структура. Например, α-кератин и парамиозин (протеин на обтураторния мускул на мекотело), ​​тропомиозините (протеини на скелетните мускули) са фибриларни протеини (имат пръчковидна форма) и тяхната вторична структура е α-спирала; напротив, глобуларните протеини могат да съдържат голям брой β-структури.

Спирализацията на линейна полипептидна верига намалява размера й около 4 пъти; и опаковането в третична структура я прави десетки пъти по-компактна от оригиналната верига.

Връзки, които стабилизират третичната структура на протеина. При стабилизирането на третичната структура играят роля връзките между страничните радикали на аминокиселините. Тези връзки могат да бъдат разделени на:

силен (ковалентен) [покажи].

слаби (полярни и ван дер ваалсови) [покажи].

Многобройните връзки между страничните радикали на аминокиселините определят пространствената конфигурация на протеиновата молекула.

Характеристики на организацията на третичната структура на протеина. Конформацията на третичната структура на полипептидната верига се определя от свойствата на страничните радикали на нейните съставни аминокиселини (които нямат забележим ефект върху образуването на първични и вторични структури) и микросредата, т.е. околната среда. Когато се сгъне, полипептидната верига на протеина има тенденция да приеме енергийно благоприятна форма, характеризираща се с минимум свободна енергия. Следователно неполярните R-групи, "избягващи" водата, образуват, така да се каже, вътрешната част на третичната структура на протеина, където се намира основната част от хидрофобните остатъци на полипептидната верига. В центъра на протеиновата глобула почти няма водни молекули. Полярните (хидрофилни) R-групи на аминокиселината са разположени извън това хидрофобно ядро ​​и са заобиколени от водни молекули. Полипептидната верига странно се огъва в триизмерното пространство. Когато се огъне, вторичната спирална конформация се нарушава. Веригата се "разкъсва" в слаби места, където се намират пролин или хидроксипролин, тъй като тези аминокиселини са по-подвижни във веригата, образувайки само една водородна връзка с други пептидни групи. Друго място на завоя е глицинът, чиято R-група е малка (водород). Следователно, R-групите на други аминокиселини, когато са подредени, са склонни да заемат свободното пространство на мястото на глицина. Редица аминокиселини - аланин, левцин, глутамат, хистидин - допринасят за запазването на стабилни спирални структури в протеина, а като метионин, валин, изолевцин, аспарагинова киселина, благоприятстват образуването на β-структури. В протеинова молекула с третична конфигурация има участъци под формата на α-спирали (спирализирани), β-структури (слоести) и произволна намотка. Само правилното пространствено нагъване на протеина го прави активен; нарушението му води до промяна в свойствата на протеина и загуба на биологична активност.

Кватернерна протеинова структура

Протеините, състоящи се от една полипептидна верига, имат само третична структура. Те включват миоглобин, протеин на мускулната тъкан, участващ в свързването на кислорода, редица ензими (лизозим, пепсин, трипсин и др.). Въпреки това, някои протеини са изградени от няколко полипептидни вериги, всяка от които има третична структура. За такива протеини е въведена концепцията за кватернерна структура, която е организацията на няколко полипептидни вериги с третична структура в една функционална протеинова молекула. Такъв протеин с кватернерна структура се нарича олигомер, а неговите полипептидни вериги с третична структура се наричат ​​протомери или субединици (фиг. 4).

На кватернерно ниво на организация протеините запазват основната конфигурация на третичната структура (глобуларна или фибриларна). Например, хемоглобинът е протеин, който има кватернерна структура и се състои от четири субединици. Всяка от субединиците е глобуларен протеин и като цяло хемоглобинът също има глобуларна конфигурация. Протеините на косата и вълната - кератините, свързани по третична структура с фибриларни протеини, имат фибриларна конформация и кватернерна структура.

Стабилизиране на кватернерната структура на протеините. Всички протеини с кватернерна структура са изолирани като отделни макромолекули, които не се разлагат на субединици. Контактите между повърхностите на субединиците са възможни само поради полярните групи от аминокиселинни остатъци, тъй като по време на образуването на третичната структура на всяка от полипептидните вериги страничните радикали на неполярните аминокиселини (които съставляват по-голямата част от всички протеиногенни аминокиселини) са скрити вътре в субединицата. Между техните полярни групи се образуват множество йонни (солни), водородни и в някои случаи дисулфидни връзки, които здраво задържат субединиците под формата на организиран комплекс. Използването на вещества, които разрушават водородни връзки или вещества, които възстановяват дисулфидните мостове, причиняват дезагрегация на протомерите и разрушаване на кватернерната структура на протеина. В табл. 1 обобщава данни за връзки, стабилизиращи различни нива на организация на протеинова молекула [покажи].

Характеристики на структурната организация на някои фибриларни протеини

Структурната организация на фибриларните протеини има редица характеристики в сравнение с глобуларните протеини. Тези характеристики могат да бъдат проследени на примера на кератин, фиброин и колаген. Кератините съществуват в α- и β-конформации. α-Кератините и фиброинът имат слоесто-нагъната вторична структура, но в кератина веригите са успоредни, а във фиброина те са антипаралелни (виж Фиг. 3); в допълнение, междуверижните дисулфидни връзки присъстват в кератина, докато те отсъстват във фиброина. Разкъсването на дисулфидните връзки води до разделяне на полипептидните вериги в кератините. Напротив, образуването на максимален брой дисулфидни връзки в кератините чрез действието на окислители създава силна пространствена структура. Като цяло, във фибриларните протеини, за разлика от глобуларните протеини, понякога е трудно да се направи строго разграничение между различните нива на организация. Ако приемем (както за глобуларен протеин), че третичната структура трябва да се формира чрез подреждане на една полипептидна верига в пространството, а кватернерната структура трябва да се образува от няколко вериги, тогава във фибриларните протеини няколко полипептидни вериги участват във формирането на вторична структура. Типичен пример за фибриларен протеин е колагенът, който е един от най-разпространените протеини в човешкото тяло (около 1/3 от масата на всички протеини). Намира се в тъкани с висока якост и ниска разтегливост (кости, сухожилия, кожа, зъби и др.). В колагена една трета от аминокиселинните остатъци са глицин, а около една четвърт или малко повече са пролин или хидроксипролин.

Изолирана колагенова полипептидна верига (първична структура) изглежда като прекъсната линия. Съдържа около 1000 аминокиселини и има молекулно тегло около 105 (фиг. 5, а, б). Полипептидната верига е изградена от повтарящ се триплет аминокиселини (триплет) със следния състав: gly-A-B, където A и B са всякакви аминокиселини с изключение на глицин (най-често пролин и хидроксипролин). Колагеновите полипептидни вериги (или α-вериги) по време на образуването на вторични и третични структури (фиг. 5, c и d) не могат да образуват типични α-спирали със спирална симетрия. Това се предотвратява от пролин, хидроксипролин и глицин (антиспирални аминокиселини). Следователно три α-вериги образуват, така да се каже, усукани спирали, като три нишки, увиващи се около цилиндър. Три спирални α-вериги образуват повтаряща се колагенова структура, наречена тропоколаген (фиг. 5d). Тропоколагенът по своята организация е третичната структура на колагена. Плоските пръстени от пролин и хидроксипролин, редовно редуващи се по дължината на веригата, й придават твърдост, както и междуверижните връзки между α-вериги на тропоколаген (следователно колагенът е устойчив на разтягане). Тропоколагенът е по същество субединица от колагенови фибрили. Тропоколагеновите субединици са подредени в кватернерната структура на колагена поетапно (фиг. 5е).

Стабилизирането на колагеновите структури се дължи на междуверижни водородни, йонни и ван дер ваалсови връзки и малко количество ковалентни връзки.

α-веригите на колагена имат различна химична структура. Има α 1 -вериги от различни типове (I, II, III, IV) и α 2 -вериги. В зависимост от това кои α 1 - и α 2 -вериги участват в образуването на триверижната спирала на тропоколагена, се разграничават четири вида колаген:

първият тип - две α 1 (I) и една α 2 -верига;

вторият тип - три α 1 (II) вериги;

третият тип - три α 1 (III)-вериги;

четвъртият тип - три α 1 (IV)-вериги.

Най-често срещаният колаген от първия тип: намира се в костната тъкан, кожата, сухожилията; колаген тип 2 се намира в хрущяла и т. н. В един и същи тип тъкан може да има различни видове колаген.

Подреденото агрегиране на колагеновите структури, тяхната твърдост и инертност осигуряват висока якост на колагеновите влакна. Колагеновите протеини също съдържат въглехидратни компоненти, т.е. те са протеиново-въглехидратни комплекси.

Колагенът е извънклетъчен протеин, който се образува от клетките на съединителната тъкан, която е част от всички органи. Следователно, с увреждане на колагена (или нарушение на неговото образуване), възникват множество нарушения на поддържащите функции на съединителната тъкан на органите.

Алфа полипептидната верига завършва с комбинацията валин-левцин аминокиселина, а бета полипептидната верига завършва с комбинацията валин-хистидин-левцин. Алфа- и бета-полипептидните вериги в молекулата на хемоглобина не са разположени линейно, това е първичната структура. Поради съществуването на вътрешномолекулни сили, полипептидните вериги се усукват под формата на алфа-спирална спирала, типична за протеините (вторична структура). Самата алфа-спирална спирала за всяка алфа- и бета-полипептидна верига се увива пространствено, образувайки плексуси с яйцевидна форма (третична структура). Отделни части от алфа-спиралните спирали на полипептидните вериги са маркирани с латински букви от A до H. И четирите третично огънати алфа и бета полипептидни вериги са разположени пространствено в определено съотношение - кватернерна структура. Те не са свързани помежду си химически връзки, но от междумолекулни сили.

Оказа се, че човек има три основни типа нормален хемоглобин: ембрионален - U, фетален - F и хемоглобин на възрастен - A. HbU (наречен на началната буква на думата uterus) се среща в ембриона между 7 и 12 седмица от живота. , след което изчезва и се появява фетален хемоглобин, който след третия месец е основният фетален хемоглобин. Това е последвано от постепенно нормален хемоглобин при възрастни, наречен HbA, с началната буква английска дума"възрастен". Количеството фетален хемоглобин постепенно намалява, така че по време на раждането 80% от хемоглобина е HbA и само 20% е HbF. След раждането хемоглобинът на плода продължава да намалява и до 2-3-годишна възраст е само 1-2%. Същото количество фетален хемоглобин при възрастен. Количеството на HbF над 2% се счита за патологично за възрастен и за деца над 3 години.

В допълнение към нормалните видове хемоглобин, в момента са известни повече от 50 от неговите патологични варианти. За първи път са били наименувани с латински букви. Буквата B отсъства в обозначенията на видовете хемоглобин, тъй като първоначално е обозначавала HbS.

Хемоглобин (Hb)- хромопротеин, присъстващ в еритроцитите и участващ в преноса на кислород до тъканите. Хемоглобинът при възрастни се нарича хемоглобин А (HbA). Молекулното му тегло е около 65 000 Da. Молекулата на Hb A има кватернерна структура и включва четири субединици - полипептидни вериги (означени като α1, α2, β1 и β2), всяка от които е свързана с хем.

Не забравяйте, че хемоглобинът е алостеричен протеин, неговите молекули могат обратимо да се променят от една конформация в друга. Това променя афинитета на протеина към лиганди. Конформацията с най-малък афинитет към лиганда се нарича напрегната или Т-конформация. Конформацията с най-висок афинитет към лиганда се нарича отпусната или R-конформация.

R- и Т-конформациите на молекулата на хемоглобина са в състояние на динамично равновесие:

Различни фактори на околната среда могат да изместят този баланс в една или друга посока. Алостеричните регулатори, които влияят на афинитета на Hb към O2 са: 1) кислород; 2) концентрация на Н+ (рН на средата); 3) въглероден диоксид (CO2); 4) 2,3-дифосфоглицерат (DPG). Прикрепването на кислородна молекула към една от субединиците на хемоглобина насърчава прехода на напрегната конформация към отпусната и повишава афинитета към кислорода на други субединици на същата молекула на хемоглобина. Това явление се нарича кооперативен ефект. Сложният характер на свързването на хемоглобина с кислорода се отразява в кривата на насищане на хемоглобина с O2, която има S-образна форма (Фигура 3.1).

Фигура 3.1.Криви на насищане на миоглобин (1) и хемоглобин (2) с кислород.

Молекулни формихемоглобинът се различава един от друг по структурата на полипептидните вериги. Пример за такова разнообразие от хемоглобин, което съществува при физиологични условия, е фетален хемоглобин (HbF), налични в кръвта в ембрионалния стадий на човешкото развитие. За разлика от HbA, неговата молекула съдържа 2 α- и 2 γ-вериги (т.е. β-веригите се заменят с γ-вериги). Такъв хемоглобин има по-висок афинитет към кислорода. Именно това позволява на ембриона да получава кислород от кръвта на майката през плацентата. Малко след раждането HbF в кръвта на бебето се заменя с HbA.

Като пример за анормален или патологичен хемоглобин можем да цитираме вече споменатия (виж 2.4.) хемоглобин S, открит при пациенти със сърповидно-клетъчна анемия. Както вече знаете, той се различава от хемоглобин А, като замества глутамата с валин в β-веригите. Тази аминокиселинна замяна причинява намаляване на разтворимостта на HbS във вода и намаляване на неговия афинитет към O2.

Всички процеси в клетката се извършват с участието на протеини. Функциите им са изключително разнообразни. Всеки даден протеин като вещество със специфичен химическа структураизпълнява една високоспециализирана функция и само в няколко отделни случая - няколко взаимосвързани.

Слизайки от клетъчно на молекулярно ниво, ние Срещаме следните основни функции на протеините:

1. Каталитична (ензимна) функция:Многобройни биохимични реакции в живите организми протичат при меки условия при температури близки до 40°C и стойности на pH близки до неутрални. При тези условия скоростите на повечето реакции са незначителни, следователно за тяхното приемливо изпълнение са необходими специални биологични катализатори - ензими.Дори нещо толкова просто като дехидратация карбонова киселина:

CO 2 + H 2 O HCO 3 - + H +

катализирано от ензим карбоанхидраза.По принцип всички реакции, с изключение на фотолизата на вода 2H 2 O®4H + + 4e - + O 2 , в живите организми се катализират от ензими. По правило ензимите са или протеини, или комплекси от протеини с някои кофактор- метален йон или специална органична молекула. Ензимите имат висока, понякога уникална селективност на действие. Например, ензимите, които катализират добавянето на а-аминокиселини към съответните тРНК по време на биосинтеза на протеини, катализират добавянето само на L-аминокиселини и не катализират добавянето на D-аминокиселини.

2. Транспортна функция на протеините.Протеините служат за съхраняване и транспортиране на кислород (хемоглобин, хемоцианин). Тази функция наподобява ензимната, но е различна от нея, т.к. O 2 не се променя.

В клетката трябва да навлязат множество вещества, осигуряващи й градивен материал и енергия. В същото време всичко биологични мембраниса изградени по един принцип - двоен слой от липиди, в който са потопени различни протеини, а хидрофилните области на макромолекулите са концентрирани върху повърхността на мембраните, а хидрофобните "опашки" са в дебелината на мембраната. Такава структура е непроницаема за такива важни компоненти като захари, аминокиселини, йони на алкални метали. Проникването им в клетката се осъществява с помощта на специални транспортни протеини, вградени в клетъчната мембрана.

3. Регулаторни функции- полипептиди с ниско молекулно тегло (инсулин, окситоцин), хормони стимулират функционалната активност в клетките на други тъкани и органи.

4. Защитна имунологична функция.Имунната система има способността да реагира на появата на чужди частици, като произвежда огромен брой лимфоцити, които могат специфично да увредят тези частици, които могат да бъдат чужди клетки, като патогенни бактерии, ракови клетки, супрамолекулни частици като вируси, макромолекули, включително чужди протеини. Един от лимфоцитите В-лимфоцити, произвежда специални протеини, освободени в кръвоносната система, които разпознават чужди частици, като същевременно образуват силно специфичен комплекс на този етап на разрушаване. Тези протеини са имуноглобулинивисши организми, ги предпазват от чужди биополимери поради тяхната специфична структура (функционална група).

5.Функцията за съхраняване, предаване на химически и електрически сигнали.

6. структурна функция.Наред с протеините, които изпълняват фини високоспециализирани функции, има протеини, които имат главно структурно значение. Те осигуряват механична якост и други механични свойства на отделните тъкани на живите организми. На първо място това колаген- основният протеинов компонент на извънклетъчната матрица на съединителната тъкан. При бозайниците колагенът съставлява до 25% от общата маса на протеините. В еластичните тъкани - кожа, стени на кръвоносни съдове, бели дробове - освен колаген, извънклетъчната матрица съдържа протеин еластин, способен да се простира в широк диапазон и да се върне в първоначалното си състояние.

Още един пример структурен протеин - фиброинкоприна, отделяна от гъсениците на копринената буба по време на образуването на куколката и която е основният компонент на копринените нишки.

7. моторни протеини.Мускулната контракция е процес, по време на който химическата енергия, съхранявана под формата на макроергични пирофосфатни връзки, се превръща в АТФ молекули, В механична работа. Преки участници в процеса на свиване са два протеина - актин и миозин.

8. рецепторна функция.От голямо значение, особено за функционирането на многоклетъчните организми, са рецепторни протеини, вградени в плазмената мембрана на клетките и служещи за възприемането и преобразуването на различни сигнали, постъпващи в клетката, както от заобикаляща средаи от други клетки. Сред най-изследваните са ацетилхолинови рецепториразположен върху клетъчната мембрана в редица междуневронни контакти, включително тези в мозъчната кора, и в невромускулни връзки. Тези протеини специфично взаимодействат с ацетилхолина и реагират на това чрез предаване на сигнал в клетката. След получаване и преобразуване на сигнала, невротрансмитерът трябва да бъде отстранен, за да може клетката да се подготви за възприемане на следващия сигнал.

9. Токсини:Редица живи организми, като защита срещу потенциални врагове, произвеждат силно токсични вещества - токсини. Много от тях са протеини, но сред тях се срещат и сложни органични молекули с ниско молекулно тегло. Пример за такова вещество е отровното начало на бледата гмурка - а-аманитин:Това съединение специфично блокира синтеза на еукариотни иРНК. За хората смъртоносна доза е няколко mg от този токсин.

Първична и вторична структура на протеините.Протеините не са статични образувания. Това са структури, които могат да претърпят определени конформационни промени в хода на биологичното функциониране. Конформационният анализ се извършва на базата на различни нива на организация на протеиновите молекули. Още през 1959 г. K. Linderstrom-Lang идентифицира четири нива на структурна организация на протеините - първична, вторична, третична и кватернерна структура. По-късно, въз основа на сравнение на данни от рентгенов дифракционен анализ, калориметрия и други методи, бяха идентифицирани още две нива на организация - супервторични структури и протеинови домени.

Аминокиселинната последователност се нарича първична структура на протеин. Изследването на подреждането на аминокиселините в протеините е крайъгълен камъкв изследването на протеиновата структура. Понастоящем този анализ се извършва автоматично с помощта на секвинаторни инструменти. IN последните годиниизползва се нов метод за определяне на аминокиселинната последователност. Изолира се ДНК фрагмент, съдържащ структурния ген на този протеин, нуклеотидната последователност се декодира и се транслира според генетичен кодв аминокиселинната последователност. Първичната структура е едномерно представяне на протеинова молекула. Познаването на първичната структура се използва за прогнозиране на вторичната и третичната структура на протеина. Едновременното използване на аминокиселинната последователност и кристалографските карти на електронната плътност прави възможно реконструирането на пространственото разположение на всички атомни групи в протеина.

В полипептидната верига пептидната група е плоска и твърда. Полипептидната верига може да бъде представена като последователност от подобни равнини (пептидни групи), свързани помежду си с единични връзки. Ротацията около тези връзки не е напълно безплатна поради пространствени ограничения. Ъгълът на въртене около връзките C - C a се означава с ψ, а ъгълът на въртене около връзките N - C a обозначават φ. G. Ramachandran изчислява конформационните състояния на полипептидната верига с помощта на компютър и определя обхвата на възможните стойности на ψ и (графици на Ramachandran или конформационни карти). На конформационните карти стойностите на ъглите ψ и φ в протеините не са произволни, те са ясно ограничени до специфични региони, което показва наличието на ограничен брой конформации на полипептидната верига.

Под вторичната структура на протеина разбирайте подреденото подреждане на полипептидната верига, стабилизирана от водородни връзки между пептидни групи. Като се има предвид това структурно ниво, се говори за локална конформация на участъци от полипептидната верига. Най-често срещаната и най-енергетично и пространствено благоприятна вторична структура е дясната α– спирала, която е постулирана за първи път от L. Pauling и R. Corey (1951). Най-важните характеристики α– спирали: 1) броят на аминокиселинните остатъци на стъпка на спиралата е 3,6; 2) стъпка на спиралата d = 0,54 nm; 3) транслация на остатък по спиралата Δd = 0.15 nm; 4) радиус α– спирали r= 0.23 nm; 5) водородни връзки (успоредни на оста на спиралата) се образуват между всяка от първата и четвъртата пептидна група; 6) за α– спирали φ = -57° и ψ = -47°. Както се вижда от напречното сечение α– спирала при всяко завъртане се измества надясно с 60 °. В резултат на такова изместване само след 10 оборота 1-вата пептидна група ще съвпадне точно с 36-та пептидна група.

Вторичните структури на протеиновите молекули са успоредни и антипаралелни β-нагънати листове (или β-структура). На конформационната карта на Рамачандран за β-слоя с антипаралелни вериги φ = -139° и ψ = +135°, за β-слоя с паралелни вериги φ = - 119° и ψ = +113°. Повечето от те имат не повече от шест полипептидни вериги, стабилизирани от водородни връзки, и шест аминокиселинни остатъка по дължината на всяка верига. Размерите на такъв лист са: ширина t = 2,5 nm, дължина l = 2,0 nm. Повечето сгънати листове имат усукана форма. Усукването е перпендикулярно на удължените вериги.

Следващото ниво на организация на протеиновите молекули са свръхвторичните структури. Пример за такива структури са суперспиралните структури. Имат две α– спирали (при тропомиозин, лек меромиозин, парамиозин) или три α -спиралите (при фибриногена) са усукани една спрямо друга. Стъпката на суперспиралата в лекия меромиозин е α= 18,6 nm. Използвайки примера на тропомиозин с известна аминокиселинна последователност, се стигна до заключението, че суперспиралата се стабилизира чрез хидрофобни взаимодействия между отделните α - спирали.

Структура на първичната верига и образуване на протеинови глобули

Един от най-важните проблеми във физиката на протеините е проблемът за връзката между първичната структура на полипептидната верига и пространствената структура на глобулата. Естествената пространствена структура на макромолекулите е биологично функционална, докато първичната структура е генетично кодирана. И защо протеиновата молекула образува глобула, с други думи, защо протеинът е способен да се самосглобява и протеинът в това състояние вече може да изпълнява функциите си? Както установи Guzzo, специфичното подреждане на аминокиселините има значение за пространствената структура на протеина. Има аминокиселини "неспирални" не могат да образуват спирали и "спирални" - те могат да се огъват (asp, cis, tyr, ser). Завъртането, опаковането на молекулата зависи от това. И най-вече важностза формирането на пространствената структура на протеина има аминокиселината глицин - това е като универсална става, която може да заема различни позиции.

Понастоящем се приема, че самоорганизацията на протеиновата глобула не е резултат от някакъв насочен процес. Много изследователи смятат, че програмата за безпогрешна самоорганизация е закодирана в самата първична структура. самоорганизация протича на етапи, така че на всеки следващ етап се формира все по-сложна и стабилизирана структура.

Редовни конформации на полипептидни вериги, стабилизирани от водородни връзки ( α и β - форми) са стабилни само при определени условия.Промяната на температурата, pH, разтворителя на средата води до конформационни преходи. Американецът Доти установи, че преходите спирала-намотка се случват за много кратко време. Преходът се характеризира с промяна на вискозитета, разсейване на светлината и др. Остротата на прехода показва кооперативен характер, т.е. всяка връзка на макромолекулата е във фиксирано състояние с помощта на водородни връзки. Под действието на външни фактори опаковката на молекулите се променя, т.е. конформации.

Според учения Птицин на първия етап в разгънатата протеинова верига се образуват флуктуиращи (променени, непостоянни) ядра от спирални участъци с удължена структура (места изображение). На втория етап една или няколко двойки ембриони се комбинират, за да образуват центрове на организация на третичната структура. На третия етап растежът на центровете се дължи на прикрепването на съседни участъци на веригата.

И на последния, четвърти етап, се образува единна компактна структура на глобулата чрез нарастване или комбиниране на няколко центъра.

Домейни и третична структура на протеин

Третичната структура на протеина е термодинамично най-стабилната форма на нагъване и нагъване на полипептидната верига. Възниква въпросът как става сгъването на протеина, как едномерната информация, съдържаща се в аминокиселинната последователност, се реализира в пространствена информация? Експериментите за денатурация и ренатурация на протеини показват, че процесите на разрушаване и образуване на компактна третична структура протичат доста бързо: стафилококовата нуклеаза се пренагъва за 1 s.

Моделът на нуклеация се използва за обяснение на процеса на сгъване. Този модел предполага, че късите сегменти на полипептидната верига се сгъват много бързо независимо един от друг, а във втория етап те се събират, образувайки компактна триизмерна структура. Формират се протеинови сегменти α -спирали и β-слоеве с висока скорост. Експериментално е доказано, че преходите спирала-намотка се извършват за 10 -6 до 10 -8 s.

IN напоследъкДруго важно ниво на структурна организация е идентифицирано в протеините. Анализът на картите на електронната плътност на протеини с молекулно тегло над 20 000 показа, че протеините се състоят от няколко глобуларни области, които са слабо свързани помежду си. Тези области се наричат ​​домейни. Индивидуалните домени често могат да бъдат изолирани от протеин с помощта на протеолитични ензими, без да загубят своите функционални свойства. Под домейн се разбира областта на една полипептидна верига, затворена в компактен обем. Това са участъци от веригата, които са сгънати и се разгръщат в протеина независимо един от друг.

Домейнът може да се разглежда като относително автономна структурна единица. Използвайки сканираща микрокалориметрия, Привалов показа наличието на отделни кооперативни блокове в сложни протеини, които се характеризират с резки структурни преходи по време на термична денатурация. Оказа се, че в много случаи такива кооперативни протеини съответстват добре на изолирани протеолитични протеинови фрагменти. Това направи възможно идентифицирането на кооперативни блокове с протеинови домени. Често изолираните протеолитични фрагменти имат структурни свойства, подобно на кооперативните блокове, т.е. техните точки на топене и енталпии на преход съвпадат и те също така запазват функционалните характеристики на естествените протеини. Домейните са свързани помежду си чрез много ограничен брой пептидни връзки, които са относително лесни за прекъсване под действието на протеолитичните ензими.

Понастоящем с помощта на сканираща микрокалориметрия, електронна микроскопия, протеолитично разцепване е установена структурата на домейна в такива високомолекулни протеини като имуноглобулин, миозин, фибриноген и др.

Домейните могат да представляват важни междинни продукти в процеса на нагъване на естествената структура на протеините. Протеините, състоящи се от домейни, трябва да имат по-гъвкава структура от протеините, в които различни региони са прикрепени един към друг. Очевидно , обратимите конформационни промени, които засягат функцията на ензимите, са свързани с междудомейнови пренареждания, без да променят структурната стабилност на самите домейни.

Хипотезата за разтопената глобула.Един от начините за изследване на сгъването на полипептидна верига в триизмерна структура е денатурацията и последващата ренатурация на протеинова молекула.

Експериментите на К. Анфинсен с рибонуклеаза недвусмислено показват възможността за сглобяване именно на нарушената в резултат на денатурацията пространствена структура.

В този случай възстановяването на нативната конформация не изисква наличието на никакви допълнителни структури. Какви модели на нагъване на полипептидната верига около съответната конформация са най-вероятни? Една от широко разпространените хипотези за самоорганизация на протеини е хипотезата за разтопената глобула. В рамките на тази концепция се разграничават няколко етапа на самосглобяване на протеина.

1. В разгънатата полипептидна верига с помощта на водородни връзки и хидрофобни взаимодействия се образуват отделни участъци от вторичната структура, служещи като зародиш за образуването на цялостни вторични и супервторични структури.

2. Когато броят на тези места достигне определена прагова стойност, страничните радикали се преориентират и полипептидната верига преминава в нова, по-компактна форма, а броят на нековалентните връзки се увеличава значително. Характерна особеност на този етап е образуването на специфични контакти между атоми, разположени на отдалечени места на полипептидната верига, но които се оказаха близки в резултат на образуването на третична структура.

3. На последния етап се формира нативната конформация на протеиновата молекула, свързана със затварянето на дисулфидните връзки и окончателното стабилизиране на конформацията на протеина. Не е изключено и неспецифично агрегиране на частично нагънати полипептидни вериги, което може да се квалифицира като грешки при образуването на естествени протеини. Частично нагъната полипептидна верига (стъпка 2) се нарича разтопена глобула, а сцената 3 е най-бавният при образуването на зрял протеин.

Клетките съдържат редица каталитично неактивни протеини, които въпреки това имат голям принос за образуването на пространствени структури на протеини. Това са така наречените шапирони и шапиронини. Л. Елис, един от откривателите на молекулярни шапирони, ги нарича функционален клас протеинови семейства, които не са свързани помежду си, които помагат за правилното нековалентно сглобяване на други полипептид-съдържащи структури in vivo, но не са част от сглобените структури и не участват в осъществяването на нормалните им физиологични функции.

Шапироните подпомагат правилното сглобяване на триизмерната протеинова конформация чрез образуване на обратими, нековалентни комплекси с частично нагънатата полипептидна верига, като същевременно инхибират неправилно формираните връзки, водещи до образуването на функционално неактивни протеинови структури. Списъкът с функции, присъщи на шапироните, включва защитата на разтопените глобули от агрегация, както и прехвърлянето на новосинтезирани протеини към различни клетъчни локуси. Шапироните са предимно протеини на топлинен шок, чийто синтез рязко се засилва при термичен стрес. Семейства от тези протеини се намират в микробни, растителни и животински клетки. Класификацията на шапироните се основава на тяхното молекулно тегло, което варира от 10 до 90 kDa. Като цяло функциите на шапироните и шапиронините се различават, въпреки че и двата са протеинови помощници в процесите на формиране на триизмерната структура на протеините. Шапироните поддържат новосинтезираната полипептидна верига в разгънато състояние, предотвратявайки нейното сгъване във форма, различна от нативната, а шапиронините осигуряват условия за образуване на единствената правилна естествена протеинова структура.

Кватернерна структура на протеините

Образуването на хаотично образувани агрегати е грешка, която води до появата на функционално неактивни протеини, поради което в клетките се осигуряват механизми за тяхното бързо разграждане и разпадане на отделни аминокиселини. В природата обаче има много генетично определени агрегати, които включват няколко полипептидни вериги, които образуват големи протеинови макромолекули. Кватернерната структура се нарича две или повече субединици, свързани една с друга, ориентирани в пространството. Очевидно е по-правилно във връзка с кватернерната структура на протеините да се говори не за агрегати, а за ансамбли от глобули. При характеризиране на кватернерната структура на протеините трябва да се изключат нейните псевдоварианти. Така че протеиновият хормон инсулин се състои от две полипептидни вериги, но те не са пълноценни глобули, а се образуват в резултат на ограничена протеолиза на една полипептидна верига. Не са протеини с истинска кватернерна структура и мултиензимни комплекси. Те са типични надмолекулни структури. По време на образуването на кватернерна структура отделните субединици взаимодействат помежду си изключително чрез нековалентни връзки, предимно водородни и хидрофобни. Много важно е, че контактните повърхности на взаимодействащите субединици са комплементарни една към друга. Хидрофобните групи са разположени в контактните зони, които се наричат ​​"лепкави петна".

Взаимната ориентация на електроотрицателните атоми, улеснена от наличието на комплементарни места, насърчава образуването на голям брой водородни връзки. Това осигурява реализирането на кооперативния ефект и стабилизирането на макромолекулата. В допълнение, множеството нековалентни връзки е основата за прехвърляне на структурни пренареждания от една субединица към друга.

Протеините с кватернерна структура често се наричат ​​олигомерни. Разграничете хомомеренИ хетеромеренпротеини. Омировите протеини са протеини, в които всички субединици имат еднаква структура. Такъв пример е протеинът каталаза, който се състои от четири абсолютно еквивалентни субединици. В хетеромерните протеини отделните субединици не само се различават по структура, но могат също да изпълняват различни функции. Например протеинът РНК полимераза се състои от пет субединици различна структураи с различни функции.