Видовая специфичность первичной структуры белков (инсулины разных животных)

Первичная структура белка - линейная последовательность аминокис­лотных остатков в полипептидной цепи. Информация о первичной структуре каждого белка закодирована в ДНК.

Аминокислотная последовательность белков определяет его пространст­венную структуру (конформацию) и специфическую биологическую функцию.

В организме человека более 50000 белков, каждый из них имеет уникаль­ную для данного белка первичную структуру. Все молекулы индивидуального белка имеют одинаковое чередование аминокислотных остатков, отличающий данный белок от любого другого белка. Замена даже одной аминокислоты часто приводит к утрате биологической активности белка. В гемоглобине замена глутамата (глутаминовой кислоты) в положении 6 бэта-цепи на валин вызывает серпо­видно-клеточную анемию.

Семейства белков.

Белки, имеющие гомологичные участки полипептидной цепи, сходную пространственную структуру (конформацию) и выполняющие в пределах одно­го вида одинаковые функции, образуют семейство белков.

Как правило, они возникают в ходе эволюции в пределах одного биологи­ческого вида путем замены одних аминокислот на другие, близкие им по физи­ко-химическим свойствам.

Примерами белковых семейств являются: семейство миоглобина, куда включены кроме самого миоглобина, и все виды гемоглобина; семейство имму­ноглобулинов, семейство Т-клеточных антигенраспознающих рецепторов, се­мейство белков главного комплекса гистосовместимости, семейство сериновых протеаз, отличительная особенность которых заключается в обязательном при­сутствии в активном центре аминокислоты - серина. Основной белок плазмы крови - альбумин образует семейство с альфа-фетопротеином, одним из белков фетально-плацентарного комплекса, с которым он имеет 70% гомологию пер­вичной структуры.

Белки, выполняющие у разных видов одинаковые функции, называют­ся гомологичными. Их существование подтверждает общее эволюционное происхождение видов. Они характеризуются:

- одинаковой или незначительно отличающейся массой;

- содержат во многих положениях одни и те же аминокислотные остатки, которые определяют конформацию и биологическую функцию данных белков;

- различия в аминокислотном составе не затрагивают активного центра или участков, отвечающих за формирование конформации;

-содержат гомологичные последовательности аминокислот.

Инсулин разных организмов - основной регулятор углеводного обмена у животных и человека, имеет значительное сходство первичной структуры. Бы­чий инсулин отличается от инсулина человека по трем аминокислотным остат­кам, а инсулин свиньи отличается только на одну аминокислоту.

Конформацпя пептидных цепей в белках (вторичная и третичная структуры). Слабые внутримолекулярные взаимодействия в пептидной цепи, дисульфидные связи. Доменная структура и ее роль в функционировании белков.

Конформация пептидных цепей в белках (вторичная и третичная структу­ры)

Конформацией белковых цепей называется определенная пространствен­ная структура, образованная за счет внутримолекулярных взаимодействий. Два основных типа конформации белков - вторичная и третичная структуры. Вторичная структура белков - пространственная структура полипептидной цепи, обусловленная водородными связями, образованными функциональными группами пептидного остова. Во вторичной структуре белков присутствуют участки с регулярной и нерегулярной структурой. Участки с регулярной струк­турой представлены стабильными структурами двух типов: альфа-спиральными и бэта-складчадчатыми:

альфа-спиральные структуры - наиболее распространенный элемент вторич­ной структуры белков. Пептидная цепь образует спираль, на каждый виток ко­торой приходится 3,6 аминокислотных остатка. В спиральных участках водо­родные связи возникают между >С=0 и >NH группами пептидных связей через 4 аминокислотных остатка. Ориентированы эти связи вдоль оси спирали.

Боковые цепи аминокислотных остатков локализованы на периферии спи­рали и не участвуют в формировании водородных связей, стабилизирующих а-спираль. Однако радикалы некоторых аминокислот препятствуют формирова­нию альфа-спирали в случае, если рядом расположены несколько одинаково заря­женных радикалов, (возникает электростатическое отталкивание) или близко расположены объемные радикалы, например триптофан и метионин (механиче­ское нарушение альфа-спирали). Пролин, в котором отсутствует атом водорода у атома азота, образующего пептидную связь, не может формировать водородную связь с соответствующей карбоксильной группой, и альфа-спираль нарушается. В участке, где находится пролин, полипептидная цепь образует петлю или изгиб.

Бэта-складчатые структуры стабилизированы множеством водородных свя­зей между атомами пептидных групп линейных участков одной полипептидной цепи (внутрицепочечные связи) или разных полипептидных цепей (межцепо­чечные связи). Водородные связи расположены перпендикулярно полипептид­ной цепи. Если цепи ориентированы в одном направлении, образуется парал­лельный Р-складчатый слой, а если цепи ориентированы в противоположных направлениях, то - антипараллельный бэта-складчатый слой. Радикалы аминокис­лотных остатков ориентированы почти перпендикулярно плоскости бэта-слоя.

Кроме регулярных структур, в белках существуют области с нерегулярной вторичной структурой, называемые беспорядочными клубками (этим терми­ном часто называют и денатурированный белок). Они не имеют регулярной пространственной укладки, как у альфа-спирали и бэта-складчатой структуры, хотя об­разуют характерную для каждого белка конформацию, состоящую из петлеоб­разных и кольцеобразных структур. В молекуле белка, состоящего из ряда спи­ральных и складчатых участков, обязательно встречаются участки с нерегуляр­ной структурой. Они включают в себя от 3 до 10-15 аминокислотных остатков. Значение этих участков состоит в компактизации белковой молекулы. Обнару­жено, что участки поворота р-складчатой структуры включают в себя конфигу­рации аминокислот Пролин-Глицин-Пролин.

Третичная структура белка - это трехмерная конформация белка, образую­щаяся в результате взаимодействия между радикалами аминокислот, которые могут находиться в пептидной цепи на любом расстоянии друг от друга. Функ­ционально активную конформацию называют нативной структурой белка.

Слабые внутримолекулярные взаимодействия в пептидной цепи; дисульфидные связи. В образовании третичной структуры участвуют:

- гидрофобные взаимодействия, т.е. слабые взаимодействия между непо­лярными радикалами, которые приводят к тому, что гидрофобные радикалы аминокислот оказываются внутри глобулярной структуры белка, образовав гид­рофобное ядро,

- ионные и водородные связи между гидрофильными группами радикалов аминокислот, оказавшихся внутри гидрофобного ядра. Ионные и водородные связи, а также гидрофобные взаимодействия относятся к числу слабых, их энер­гия не намного превышает энергию теплового движения молекул при комнат­ной температуре.

- ковалентные дисульфидные связи -S-S- между цистеиновыми остатка­ми, находящимися в разных местах полипептидной цепи. Наличие дисульфидных связей характерно для секретируемых клеткой белков (инсулин, иммуног­лобулины).

Домены - независимые, компактно свернутые фрагменты полипептидной цепи, отвечающие за определенный биологический эффект. Они имеют само­стоятельную третичную структуру, аналогичную глобулярным белкам.

В структуре мембранного рецептора выделяют три домена:

1 - внеклеточный (состоит из спи­ральных и складчатых участков);

2 - мембранный, альфа-спиральный уча­сток состоящий из гидрофобных аминокислот (якорный участок);

3 - внутриклеточный, для взаимодей­ствия с внутриклеточным ферментом.

Особенностью доменной организации белка является относительная неза­висимость доменов, т.е. возможность их автономного функционирования. Так, например, внеклеточный домен мембранного рецептора, будучи отделен от мембранного альфа-спирального участка, продолжает связывать молекулы гормона. Выделенный якорный участок мембранного рецептора способен спонтанно встраиваться в клеточную мембрану, а изолированный внутриклеточный домен мембранного рецептора способен взаимодействовать с внутриклеточным фер­ментом (например, аденилатциклазой).

(Так, например у гексокиназы один домен связан с глюкозой, другой с АТФ, сближение доменов способствует сближению АТФ и глюкозы и соответственно ускоряет перенос фосфатной группы)

Гексокиназа катализирует фосфорилирование глюкозы. Активный центр находится в складке между двумя доменами. При связывании гексокиназы с глюкозой домены смыкаются, и субстрат оказывается в "ловушке", где подвер­гается фосфорилированию.