Четвертичная структура белка связи

В живых клетках происходит синтез множества органических молекул, среди которых главную роль играют полимерные макромолекулы - белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды. Особая роль в жизнедеятельности живых организмов принадлежит белкам. От родителей детям передаётся генетическая информация о специфической структуре и функциях всех белков данного организма. Синтезированные белки выполняют многообразные функции: ускоряют химические реакции, выполняют транспортную, структурную, защитную функции, участвуют в передаче сигналов от одних клеток другим и таким образом реализуют наследственную информацию. Поэтому белки называют также протеинами от греч. На долю белков внутри клетки приходится более половины их сухого вещества. В организме человека насчитывают около 50 000 индивидуальных белков. Видовая индивидуальная специфичность набора белков в данном организме определяет особенности его строения и функционирования. Набор белков в дифференцирующихся клетках одного организма определяет морфологические и функциональные особенности каждого типа клеток. Как и любой полимер, белок состоит из мономерных единиц, или «строительных блоков». В белках организма человека такими мономерами служат 20 четвертичная структура белка связи нескольких сотен известных в природе аминокислот. Аминокислоты, находящиеся в белках, связаны друг с другом пептидными связями. Линейная последовательность аминокислот в белке уникальна для каждого индивидуального белка; информация четвертичная структура белка связи ней содержится в участке молекулы ДНК, называемой геном. Полипептидные цепи за счёт внутримолекулярных взаимодействий образуют пространственные структуры - конформации белков. На определённом участке белковой молекулы из радикалов аминокислот формируется активный центр, который может специфично комплементарно связываться с молекулами-лигандами. Взаимодействие белков с лигандами лежит в основе их функционирования. Изменения последовательности аминокислот в белках могут приводить к изменению пространственной структуры и функций данных белков и развитию заболеваний. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА АМИНОКИСЛОТ, ВХОДЯЩИХ В СОСТАВ БЕЛКОВ. ПЕПТИДНЫЕ СВЯЗИ, СОЕДИНЯЮЩИЕ АМИНОКИСЛОТЫ В ЦЕПИ Белки - полимерные молекулы, в которых мономерами служат аминокислоты. В составе белков в организме человека встречают только 20 α-аминокислот. Одни и те же аминокислоты присутствуют в различных по структуре и функциям белках. Индивидуальность белковых молекул определяется порядком чередования аминокислот в белке. Аминокислоты можно рассматривать как буквы алфавита, при помощи которых, как в слове, записывается информация. Слово несёт информацию, например четвертичная структура белка связи предмете или действии, а последовательность аминокислот в белке несёт информацию о построении пространственной структуры и функции данного белка. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА АМИНОКИСЛОТ 1. Общие структурные особенности аминокислот, входящих в состав белков Общая структурная особенность аминокислот - наличие четвертичная структура белка связи и карбоксильной групп, соединённых с одним и тем же α-углеродным атомом. R - радикал аминокислот - в простейшем случае представлен атомом водорода глицинно может иметь и более сложное строение. В водных растворах при нейтральном значении рН α-аминокислоты существуют в виде биполярных ионов. В отличие от 19 остальных α-аминокислот, пролин - иминокислота, радикал которой связан как с α-углеродным атомом, так и с аминогруппой, в результате чего молекула приобретает циклическую структуру. В результате эти аминокислоты в природе могут находиться в двух разных изомерных формах - L и Исключение составляет глицин, который не имеет асимметричного α-углеродного атома, так как его радикал представлен только атомом водорода. В составе белков присутствуют только L-изомеры аминокислот. Чистые L- или D-стереоизомеры могут за длительный срок самопроизвольно и нефер-ментативно превращаться в эквимолярную смесь L- и D-изомеров. Этот процесс называют рацемизацией. Рацемизация каждой L-амино-кислоты при данной температуре идёт с определённой скоростью. Это обстоятельство можно использовать для установления возраста людей и животных. Так, в твёрдой эмали зубов имеется белок дентин, в котором L-аспартат переходит в D-изомер при температуре тела человека со скоростью 0,01% в год. В период формирования зубов в дентине содержится только L-изомер, поэтому по содержанию D-аспартата можно рассчитать возраст обследуемого. Все 20 аминокислот в организме человека различаются по строению, размерам и физико-химическим свойствам радикалов, присоединённых к α-углеродному атому. Классификация аминокислот четвертичная структура белка связи химическому строению радикалов По химическому строению аминокислоты можно разделить на алифатические, ароматические и гетероциклические табл. В составе алифатических радикалов могут находиться функциональные группы, придающие им специфические свойства: карбоксильная -СООНамино -NH 2тиольная -SHамид-ная -CO-NH 2 гидроксильная -ОН и гуани- Названия аминокислот можно построить по заместительной номенклатуре, но обычно используют тривиальные названия табл. Для записи аминокислотных остатков в молекулах пептидов и белков используют трёхбуквенные сокращения их тривиальных названий, а в некоторых случаях и однобуквенные символы см. Тривиальные названия часто происходят от названия источника, из которого они впервые были выделены, или от свойств данной аминокислоты. Так, серин впервые был выделен из фиброина шёлка от лат. Классификация аминокислот по растворимости их радикалов в воде Все 20 аминокислот в белках организма человека можно сгруппировать по способности их радикалов растворяться в воде. Радикалы можно выстроить в непрерывный ряд, четвертичная структура белка связи полностью гидрофобными и заканчивающийся сильно гидрофильными. Растворимость радикалов аминокислот определяется полярностью функциональных групп, входящих в состав молекулы полярные группы притягивают воду, неполярные её отталкивают. Аминокислоты с неполярными радикалами К неполярным гидрофобным относят радикалы, имеющие алифатические углеводородные цепи радикалы аланина, валина, лейцина, изолейцина, пролина и метионина и ароматические кольца радикалы фенилаланина и триптофана. Радикалы таких аминокислот в воде стремятся друг к другу или к другим гидрофоб- Таблица 1-1. Классификация основных аминокислот белков по их химическому строению Таблица 1-2. Примеры названий аминокислот по заместительной номенклатуре и соответствующее тривиальное название ным молекулам, в результате чего поверхность соприкосновения их с водой уменьшается. Аминокислоты с четвертичная структура белка связи незаряженными радикалами Радикалы этих аминокислот лучше, чем гидрофобные радикалы, растворяются в воде, так как в их состав входят полярные функциональные группы, образующие водородные связи с водой. К ним относят серин, треонин и тирозин, имеющие гидроксильные группы, аспарагин и глутамин, содержащие амидные группы, и цис-теин с его тиольной группой. Цистеин и тирозин содержат соответственно тиольную и гидроксильную группы, способные к четвертичная структура белка связи с образованием Н +, но при рН около 7,0, поддерживаемого в клетках, эти группы практически не диссоциируют. Аминокислоты с полярными отрицательно заряженными радикалами К этой группе относят аспарагиновую и глу-таминовую аминокислоты, имеющие в радикале дополнительную карбоксильную группу, при рН около 7,0 диссоциирующую с образованием СОО - и Н +. Следовательно, радикалы данных аминокислот - анионы. Ионизированные формы глутаминовой и аспарагиновой кислот называют соответственно глутаматом и аспартатом. Аминокислоты с полярными положительно заряженными радикалами Дополнительную положительно заряженную группу в радикале имеют лизин и аргинин. У лизина вторая аминогруппа, способная присоединять Н +, располагается четвертичная структура белка связи ε-положении алифатической цепи, а у аргинина положительный заряд приобретает гуанидиновая группа. Кроме того, гистидин содержит слабо ионизированную имидазольную группу, поэтому при физиологических колебаниях значений рН от 6,9 до 7,4 гистидин заряжен либо нейтрально, либо положительно. При увеличении количества протонов в среде имидазольная группа гистидина способна присоединять протон, приобретая положительный заряд, а при увеличении концентрации гидроксильных групп - отдавать протон, теряя положительный заряд четвертичная структура белка связи. Положительно заряженные радикалы - катионы см. Наибольшей растворимостью в воде обладают полярные заряженные радикалы аминокислот. Изменение суммарного заряда аминокислот в зависимости от рН среды При нейтральных четвертичная структура белка связи рН все кислотные способные отдавать Н + и все основные способные присоединять Н + функциональные группы находятся в диссоциированном состоянии. Поэтому в нейтральной среде аминокислоты, содержащие недиссоциирующий радикал, имеют суммарный нулевой заряд. Аминокислоты, содержащие кислотные функциональные группы, имеют суммарный отрицательный заряд, аминокислоты, содержащие основные функциональные группы, - положительный заряд табл. Изменение рН в кислую сторону т. В сильно кислой среде все аминокислоты приобретают положительный заряд. Напротив, увеличение концентрации ОН -групп вызывает отщепление Н + от основных функциональных групп, что приводит к уменьшению положительного заряда. В сильно щелочной среде все аминокислоты имеют суммарный отрицательный заряд. Модифицированные аминокислоты, присутствующие в белках Непосредственно в синтезе белков организма человека принимают участие только 20 перечис- ленных аминокислот. Однако в некоторых белках имеются нестандартные модифицированные аминокислоты - производные одной из этих 20 аминокислот. Например, в молекуле коллагена фибриллярного белка межклеточного матрикса присутствуют гидроксипроизводные лизина и про-лина - 5-гидроксилизин и 4-гидроксипролин. Модификации аминокислотных четвертичная структура белка связи осуществляются уже в составе белков, т. Введение дополнительных функциональных групп в структуру аминокислот придаёт белкам свойства, необходимые для выполнения ими специфических функций. Так, γ-карбоксиглутаминовая кислота входит в состав белков, участвующих в свёртывании крови, и две близко лежащие карбок- Модифицированные кислоты, найденные в составе белков сильные группы в их четвертичная структура белка связи необходимы для связывания белковых факторов с ионами Са 2+. Нарушение карбоксилирования глутамата приводит к снижению свёртываемости крови. Значение гидроксильных групп в составе лизина и пролина описано в разделе 15. Химические реакции, используемые для обнаружения аминокислот Способность аминокислот вступать в те или иные химические реакции определяется наличием в их составе функциональных групп. Так как все аминокислоты, входящие в состав белков, содержат у α-углеродного атома амино-и карбоксильную группы, они могут вступать в характерные для всех аминокислот химические реакции. Наличие каких-либо функциональных групп в радикалах индивидуальных аминокислот определяет их способность вступать в специфичные для данных аминокислот реакции. Нингидриновая реакция на α -аминокислоты Для обнаружения и количественного определения аминокислот, находящихся в растворе, можно использовать нингидриновую реакцию. Эта реакция основана на том, что бесцветный нингидрин, реагируя с аминокислотой, конденсируется в виде димера через атом азота, отщепляемый от α-аминогруппы аминокислоты. В результате образуется пигмент красно-фиолетового цвета. Одновременно происходит декар-боксилирование аминокислоты, что приводит к образованию СО 2 и соответствующего альдегида. Нингидриновую реакцию широко используют при изучении первичной структуры белков см. Так как интенсивность окраски пропорциональна количеству аминокислот в растворе, её используют для измерения концентрации α-аминокислот. Нингидриновая реакция, используемая для определения α-аминокислот Специфические реакции на отдельные аминокислоты Качественное четвертичная структура белка связи количественное определение отдельных аминокислот возможно благодаря наличию в их радикалах особенных функциональных групп. Аргинин определяют с помощью качественной реакции на гуанидиновую группу реакция Сакагучиа цистеин выявляют реакцией Фоля, специфичной на SH-группу данной аминокислоты. Наличие ароматических аминокислот в растворе определяют ксантопротеиновой реакцией реакция нитрованияа наличие гидроксильной группы в ароматическом кольце тирозина - с помощью реакции Миллона. СТРОЕНИЕ И БИОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЕПТИДОВ α-Аминокислоты могут ковалентно связываться друг с другом с помощью пептидных связей. Пептидная связь образуется между α-карбоксильной группой одной аминокислоты и α-аминогруппой другой, т. При этом происходит отщепление молекулы воды см. Строение пептида Количество аминокислот в составе четвертичная структура белка связи может сильно варьировать. Пептиды, содержащие до 10 аминокислот, называют олигопептиды. Часто в названии таких молекул указывают количество входящих в состав олигопептида аминокислот: трипептид, пентапептид, октапептид и т. Пептиды, содержащие более 10 четвертичная структура белка связи, называют «полипетиды», а полипептиды, состоящие из более чем четвертичная структура белка связи аминокислотных остатков, обычно называют белками. Однако эти названия условны, так как в литературе термин «белок» часто употребляют для обозначения полипептида, содержащего менее 50 аминокислотных остатков. Например, гормон глюкагон, состоящий из 29 аминокислот, называют белковым гормоном. Мономеры аминокислот, входящих в состав белков, называют «аминокислотные остатки». Аминокислотный остаток, имеющий свободную аминогруппу, называется N-концевым и пишется слева, а имеющий свободную α-карбоксильную группу - С-концевым и пишется справа. Пептиды пишутся и читаются с N-конца. Цепь повторяющихся атомов в полипептидной цепи -NH-CH-CО- носит название «пептидный остов» см. При названии полипептида к сокращённому названию аминокислотных остатков добавляют суффикс -ил, за исключением С-концевой аминокислоты. Например, тетрапептид Сер-Гли-Про-Ала читается как серилглицилпроли-лаланин. Пептидная связь, образуемая иминогруппой пролина, отличается от других пептидных связей, так как атом азота пептидной группы связан не с водородом, а с радикалом. Пептиды различаются по аминокислотному составу, количеству и порядку соединения ами- нокислот. Сер-Гис-Про-Ала и Ала-Про-Гис-Сер - два разных пептида, несмотря на то, что они имеют одинаковые количественный и качественный составы аминокислот. Характеристика пептидной связи Пептидная связь имеет характеристику частично двойной связи, поэтому она короче, чем остальные связи пептидного остова, и вследствие этого мало подвижна. Электронное строение пептидной связи определяет плоскую жёсткую структуру пептидной группы. Плоскости пептидных групп расположены под углом друг к другу рис. Связь между α-углеродным атомом и α-аминогруппой или α-карбоксильной группой способна к свободным вращениям хотя ограничена размером и характером радикаловчто позволяет полипептидной цепи принимать различные конфигурации. Пептидные связи обычно расположены в транс-конфигурации, т. В результате боковые радикалы аминокислот находятся на наиболее удалённом расстоянии друг от друга в пространстве рис. Пептидные связи очень прочны и самопроизвольно не разрываются при нормальных условиях, существующих в клетках нейтральная среда, температура тела. Плоскости расположения пептидных групп и α -углеродных атомов в пространстве. С, причём полный гидролиз белка до свободных аминокислот проходит примерно за сутки. В живых организмах пептидные связи в белках разрываются с помощью специальных протеоли-тических ферментов от англ. Для обнаружения в растворе белков и пепти-дов, а также для их количественного определения используют биуретовую реакцию положительный результат для веществ, содержащих в своём составе не менее двух пептидных связей. Биологическая роль пептидов В организме человека вырабатывается множество пептидов, участвующих в регуляции различных биологических процессов и обладающих высокой физиологической активностью. Количество аминокислотных остатков в структуре биологически четвертичная структура белка связи пептидов может варьировать от четвертичная структура белка связи до 50. К одним из самых «маленьких» пептидов можно отнести тиреотро-пин-рилизинг-гормон и глутатион трипептидыа также энкефалины, имеющие в своём составе 5 аминокислот. Однако большинство биологически активных пептидов имеет в своём составе более 10 аминокислот, например нейропептид Y регулятор аппетита содержит 36 аминокислот, четвертичная структура белка связи кортиколиберин - 41 аминокислоту. Некоторые из пептидов, в частности большинство пептидных гормонов, содержат пептидные связи, образованные α-аминогруппой и α-карбоксильной группой соседних аминокис- Рис. Функциональные группы -СО- и -NH- образующие пептидные связи, не ионизированы, но полярны, и могут участвовать в образовании водородных связей. Как правило, они синтезируются из неактивных белковых предшественников, в которых специфические протеолитические ферменты разрушают определённые пептидные связи. Ангиотензин II - октапептид, образующийся из крупного белка плазмы крови ангиотензино-гена в результате последовательного действия двух протеолитических ферментов. Первый протеолитический фермент ренин отщепляет от ангиотензиногена с N-конца пептид, содержащий 10 аминокислот, называемый ан-гиотензином Второй протеолитический фермент карбоксидипептидилпептидаза отщепляет от С-конца ангиотензина I 2 аминокислоты, в результате чего образуется биологически активный ангиотензин II, участвующий в регуляции АД и водно-солевого обмена в организме см. Однако в некоторых биологически активных пептидах могут содержаться либо необычные аминокислоты, либо существовать необычные связи между аминокислотами, не встречающиеся в белках. Пример пептида, содержащего необычную для белков связь четвертичная структура белка связи аминокислотами, - три-пептид глутатион, построенный из глутамата, цистеина и глицина см. N-концевая аминокислота глутамат связана со второй аминокислотой цистеином не через α-карбоксильную группу, а через γ-карбоксиль-ную группу его радикала. Глутатион - широко распространённый пептид организма человека. Он может быть использован в окислительно-восстановительных реакциях как донор и ак- цептор водорода и необходим для работы ряда ферментов. Функции пептидов зависят от их первичной структуры. Четвертичная структура белка связи I по структуре очень похож на ангиотензин II имеет только две дополнительные аминокислоты с С-концано при этом не обладает биологической активностью. Изменение в аминокислотном четвертичная структура белка связи пептидов часто приводит к потере одних и возникновению других биологических свойств. В качестве примера можно рассмотреть структуру и свойства двух пептидных гормонов - ок-ситоцина и вазопрессина. В гипоталамусе окситоцин и вазопрессин образуются в результате частичного ограниченного протеолиза более крупных белковых предшественников. Из гипоталамуса по нервным волокнам эти гормоны внутри секреторных четвертичная структура белка связи перемещаются в нервные окончания аксонов, находящихся в задней доле гипофиза. После действия специфических стимулов эти гормоны выделяются в кровь см. Несмотря на четвертичная структура белка связи отличия в последовательности аминокислот замены аминокислот в положениях 3 и 8 эти гормоны сильно отличаются по физиологическому действию. Так, окситоцин выделяется в кровь во время кормления ребёнка, вызывает сокращение мио-эпителиальных клеток протоков молочных желёз и стимулирует выделение молока. Кроме того, окситоцин влияет на гладкую мускулатуру матки во время родов, вызывая её сокращение. В отличие от окситоцина, основное физиологическое действие вазопрессина - увеличение реабсорбции воды в почках при уменьшении АД или объёма крови поэтому другое название этого гормона - антидиуретический. Кроме того, вазопрессин вызывает сужение ГМК сосудов. Интересно отметить, что наличие в положении 8 основной аминокислоты важно для проявления антидиуретической активности, аминокислоты с гидрофобным радикалом в положении 3 - для сокращения ГМК. Так как пептиды - мощные регуляторы биологических процессов, их можно использовать как лекарственные препараты. Основное препятствие для терапевтического использования - их быстрое разрушение в организме. Одним из важнейших результатов исследований является не четвертичная структура белка связи изучение структуры пептидов, но и получение синтетических аналогов природных пептидов с целенаправленными изменениями в их структуре и функциях. Например, синтезирован пептид 1-дезами-но-8-D-аргинин-вазопрессин ДАВструктура которого представлена на схеме В структуре этого пептида по сравнению с вазопрессином нет аминогруппы на N-кон-це, и вместо L-аргинина в положении 8 стоит D-аргинин. Такой синтетический пептид обладает только антидиуретической активностью и химически устойчив, т. Такой искусственный аналог гормона по сравнению с природным более эффективен при лечении гормональной недостаточности. Однако такое деление пептидов крайне условно. Появились данные о том, что многие пептиды обладают широким спектром действия. Так, меланоцитстимулирующий гормон, помимо стимуляции пигментообразования, участвует в регуляции аппетита вместе с лептином подавляет потребление пищи и является антагонистом нейропептида Четвертичная структура белка связи. В то же время β-эндорфины, кроме анальгезирующего эффекта, - синергис-ты нейропептида Y, т. Описанный выше вазопрессин, кроме антидиуретического и сосудосуживающего действия, имеет свойство улучшать память. За счёт внутримолекулярных взаимодействий белки образуют определённую пространственную структуру, называемую «конформация белков». Линейная последовательность аминокислот в белке содержит информацию о построении трёхмерной пространственной структуры. Различают 4 уровня структурной организации белков, называемых первичной, вторичной, третичной и четвертичной структурами рис. Существуют общие четвертичная структура белка связи, по которым идёт формирование пространственных структур белков. ПЕРВИЧНАЯ СТРУКТУРА Аминокислотные остатки в пептидной цепи белков чередуются не случайным образом, а расположены четвертичная структура белка связи определённом порядке. Четвертичная структура белка связи последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи называют «первичная структура белка». Первичная структура каждого индивидуального белка закодирована в четвертичная структура белка связи ДНК, называемом геном. В процессе синтеза белка информация, находящаяся четвертичная структура белка связи гене, сначала переписывается на мРНК, а затем, используя мРНК в качестве матрицы, на рибосоме происходит сборка первичной структуры белка см. Каждый из 50 000 индивидуальных белков организма человека имеет уникальную для данного белка первичную структуру. Все молекулы данного индивидуального белка имеют одинаковое чередование аминокислотных остатков в белке, что в первую очередь отличает данный индивидуальный белок от любого другого. МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ПЕРВИЧНОЙ СТРУКТУРЫ БЕЛКА Изучение первичной структуры белков имеет важное общебиологическое и медицинское значение. Изучая порядок чередования аминокислотных остатков в индивидуальных белках и сопоставляя эти знания с особенностями пространственного расположения молекулы, можно выявить общие фундаментальные закономерности формирования пространственной структуры белков. Этапы формирования конформаwии белков. Кроме того, многие генетические болезни - результат нарушения в аминокислотной последовательности белков. Информация о первичной четвертичная структура белка связи нормального и мутантного белка может быть полезна для диагностики и прогнозирования развития заболевания. Определение аминокислотного состава белка Первый этап в определении первичной структуры белков заключается в качественной и количественной оценке аминокислотного состава данного индивидуального белка. Необходимо помнить, что четвертичная структура белка связи исследования нужно иметь определённое количество чистого белка, без примесей других белков или пептидов. Кислотный гидролиз белка Для определения аминокислотного состава необходимо провести разрушение всех пептидных связей в четвертичная структура белка связи. С в течение 24 ч. В результате такой обработки четвертичная структура белка связи пептидные связи в белке, а в гидролизате присутствуют только свободные аминокислоты. Кроме того, глутамин и аспарагин гидролизуются до глутаминовой и аспарагиновой кислот т. Разделение аминокислот с помощью ионообменной хроматографии Смесь аминокислот, полученных кислотным гидролизом белков, разделяют в колонке с катионообменной смолой. Такая синтетическая смола содержит прочно четвертичная структура белка связи с ней отрицательно заряженные группы например, остатки сульфоновой кислоты -SO 3 четвертичная структура белка связик которым присоединены ионы Na+ рис. В катионообменник вносят смесь аминокислот в кислой среде рН 3,0где аминокислоты в основном представляют катионы, т. Положительно заряженные аминокислоты присоединяются к отрицательно заряженным частицам смолы. Чем больше суммарный заряд аминокислоты, тем прочнее её связь со смолой. Так, аминокислоты лизин, аргинин и гистидин наиболее прочно связываются с катионообменником, аспарагиновая и глутаминовая кислоты - наиболее слабо. Высвобождение аминокислот из колонки осуществляют четвертичная структура белка связи элюированием их буферным раствором с увеличивающейся ионной силой т. При увеличении рН аминокислоты теряют протон, в результате уменьшается их положительный заряд, а следовательно и прочность связи с отрицательно заряженными частицами смолы. Каждая аминокислота выходит из колонки при определённом значении рН ионной силы. Собирая с нижнего конца колонки раствор элюат четвертичная структура белка связи виде небольших порций, можно получить фракции, содержащие отдельные аминокислоты. Количественный анализ полученных фракций Количество каждой из аминокислот в данном белке определяют, нагревая отдельные фракции аминокислот с нингидрином, образующим соединение красно-фиолетового цвета. Интенсивность окраски в пробе пропорциональна количеству находящейся в ней аминокислоты, поэтому по спектрофотометрическому измерению света, поглощённого нингидриновыми производными, можно определить содержание каждой аминокислоты в гидролизате данного белка. В настоящее время процесс разделения и количественного определения аминокислот в гидролизате белка полностью автоматизирован и осуществляется в специальном приборе - аминокислотном анализаторе. Определение аминокислотной последовательности в белке Четвертичная структура белка связи N-концевой аминокислоты в белке и последовательности аминокислот в олигопептидах Фенилизотиоционат ФИТЦ - реагент, используемый для определения N-концевой аминокислоты в пептиде. Он способен реагировать с α-аминогруппой и α-карбоксильной группой свободных аминокислот, четвертичная структура белка связи также с N-концевой аминокислотой в четвертичная структура белка связи см. Разделение аминокислот с помощью ионообменной хроматографии. Хроматографическая колонка, наполненная катионообменной смолой. Этапы разделения аминокислот: 1 - присоединение аминокислот к частицам смолы; 2 - высвобождение аминокислот при определённом значении рН и концентрации NaCl. В результате взаимодействия с N-концевой аминокислотой полипептида образуется фе-нилтиогидантионовое производное, в котором дестабилизирована пептидная связь между α-карбоксильной группой N-концевой аминокислоты и α-аминогруппой второй аминокислоты в пептиде. Эта связь избирательно гидролизуется без повреждения других пептидных связей. После четвертичная структура белка связи выделяют комплекс ФИТЦ-АК 1, идентифицируют его хроматографическими методами. ФИТЦ можно использовать вновь с укороченным пептидом, полученным в предыдущем цикле, для определения следующей аминокислоты. Этот процесс ступенчатого расщепления пептида с N-конца был автоматизирован и реализован в приборе - четвертичная структура белка связи, с помощью которого можно определять последовательность четвертичная структура белка связи остатков в олигопептидах, состоящих из 10-20 аминокислот. Четвертичная структура белка связи полипептиды имеют первичную структуру, состоящую более чем из 100 аминокислот. Так как с помощью секвенаторов наиболее продуктивно определяют аминокислотную последовательность лишь небольших пептидов, молекулы полипептида расщепляют по специфическим местам на фрагменты. Используя несколько разных расщепляющих агентов ими могут быть ферменты или химические вещества в разных пробах очищенного полипептида, можно получить частично перекрывающие друг друга фрагменты с установленной аминокислотной последовательностью. С их помощью можно воссоздать правильный порядок фрагментов и получить полную последовательность аминокислот четвертичная структура белка связи полипептидной цепи. Ферментативное расщепление полипептида по специфическим участкам Для специфического расщепления пептидных связей в белке можно использовать несколько четвертичная структура белка связи ферментов. Наиболее широко используют ферментативный гидролиз полипептида протеолитическим ферментом - трипсином, который относят к группе пищеварительных ферментов его вырабатывает поджелудочная железа. Фермент обладает высокой специфичностью действия. Он расщепляет пептидные связи, в образовании которых участвует карбоксильная группа остатков лизина или аргинина. Исходя из установленного количества остатков лизина и аргинина, можно предсказать количество получаемых при гидролизе трипсином фрагментов. Так, если в полипептидной цепи имеется 6 неконцевых остатков аргинина и лизина, то при расщеплении трипсином можно получить 7 фрагментов. Затем в каждом фрагменте устанавливают аминокислотную последовательность. Химическое расщепление полипептида по специфическим участкам В некоторых случаях предпочтителен не ферментативный, а химический гидролиз. Так, реагент бромциан расщепляет только пептидные связи, в которых карбоксильная группа принадлежит остатку метионина. Зная количество остатков метионина в полипептидной цепи, легко установить количество получаемых фрагментов. Далее для каждого фрагмента в секвенаторе также устанавливают аминокислотную последовательность. Получение аминокислотной последовательности полипептида с помощью перекрывающихся фрагментов Для успешного установления последовательности полученных фрагментов полипептида необходимо получить пептиды с перекрывающимися аминокислотными последовательностями. Это достигают обработкой отдельных проб данного полипептида разными реагентами, расщепляющими белок в разных местах. Необходимо провести столько расщеплений, чтобы получить набор пептидов, обеспечивающих перекрывание всех участков, необходимых для определения последовательности исходного полипептида. КОНФОРМАЦИЯ БЕЛКОВ Линейные полипептидные цепи индивидуальных белков за счёт взаимодействия функциональных групп аминокислот приобретают четвертичная структура белка связи пространственную трёхмерную структуру, называемую «конформация». Все молекулы индивидуальных белков т. Следовательно, вся информация, необходимая для формирования пространственных структур, находится в первичной структуре белков. В белках различают 2 основных четвертичная структура белка связи кон-формации полипептидных цепей: вторичную и третичную структуры. Вторичная структура белков Вторичная структура белков - пространственная структура, образующаяся в результате взаимодействий между функциональными группами, входящими в состав пептидного остова. При этом пептидные цепи могут приобретать регулярные структуры двух типов: α-спираль и β-структура. Водородные связи ориентированы вдоль оси спирали рис. На один виток α-спирали приходится 3,6 аминокислотных остатка. В образовании водородных связей участвуют практически все атомы кислорода и водорода пептидных групп. В результате α-спираль «стягивается» множеством водородных связей. Четвертичная структура белка связи на то что данные связи относят к разряду сла- бых, их количество обеспечивает максимально возможную стабильность α-спирали. Так как все гидрофильные группы пептидного остова обычно участвуют в образовании водородных связей, гидрофильность т. В четвертичная структура белка связи образования α-спиралей полипептидная цепь укорачивается, но если четвертичная структура белка связи условия для разрыва водородных связей, полипептидная цепь вновь удлинится. Радикалы аминокислот находятся на наружной стороне α-спирали и направлены от пептидного остова в стороны. Они не участвуют в образовании водородных связей, характерных для вторичной структуры, но некоторые из них могут нарушать формирование α-спирали. Кольцевая структура пролина имеет фиксированный угол, близкий по значению углу поворота α-спирали несмотря на отсутствие водорода у атома азота и невозможность образования водородной связи. Поэтому пролин обычно располагается в тех участках белка, где имеется петля или изгиб. Большое количество пролина обнаружено в коллагене каждая 4-я аминокислота имеющем форму спирали уже на уровне его первичной структуры. Когда водородные связи образуются между атомами пептидного остова различных полипептидных цепей, их называют межцепочечными связями. Водородные связи, возникающие между линейными участками внутри одной полипептидной цепи, называют внутрицепочечными. В β-структурах водородные связи расположены перпендикулярно полипептидной цепи. Если связанные полипептидные цепи направлены противоположно, возникает антипараллельная β-структура, если же N- и С-концы полипептидных цепей совпадают, образуется структура параллельного β-складчатого слоя рис. В отличие от α-спиралей, разрыв водородных связей, формирующих β-структуры, не вызывает удлинения данных участков полипептидных цепей. Как α-спираль, так и β-структуры обнаружены в глобулярных и фибриллярных белках. Нерегулярные вторичные структуры В белках отмечают области с нерегулярной вторичной структурой, которые часто называют беспорядочными клубками. Они представлены петлеобразными и кольцеобразными структурами, имеющими меньшую регулярность укладки, чем описанные выше α-спираль и β-структура. Однако и они не так сильно варьируют от одной молекулы белка к другой. В каждом индивидуальном белке они имеют свою фиксированную четвертичная структура белка связи, определяемую аминокислотным составом данного участка цепи и четвертичная структура белка связи его участков. Термином «беспорядочный клубок» также часто называют денатурированный белок, образовавшийся после разрыва слабых внутримолекулярных связей и потерявший свою упорядоченную структуру. Содержание разных типов вторичных структур в белках Содержание рассмотренных выше типов вторичных структур в разных белках неодинаково. По наличию α-спиралей и β-структур глобулярные белки можно разделить на 4 категории. Восемь α -спиралей в структуре миоглоби-на А и β -цепи гемоглобина Ко второй категории относят белки с α-спиралями и β-структурами, иногда образующими однотипные сочетания, встречающиеся в разных индивидуальных белках рис. Характерные сочетания α-спиралей и β-структур, обнаруженные во многих ферментах, можно рассмотреть на примере строения доменов лактатдегидрогеназы ЛДГ и фосфоглицераткиназы ФГК. Домен - участок полипептидной цепи, который самостоятельно от других участков той же цепи образует структуру, во многом напоминающую глобулярный белок. В одном из доменов лактатдегидрогеназы в центре расположены β-структуры полипептидной цепи в виде скрученного листа, и каждая β-структура связана с Рис. Как видно из рис. Такие структуры обнаружены в иммуноглобулинах, в ферменте супероксиддисмутазе рис. Третичная структура белков Четвертичная структура белка связи структура белков - трёхмерная пространственная структура, образующаяся за счёт взаимодействий между радикалами аминокислот, которые могут располагаться на значительном расстоянии друг от друга в полипептидной цепи. Связи, участвующие в формировании третичной структуры белков Гидрофобные взаимодействия При укладке полипептидная цепь белка стремится принять энергетически выгодную форму, характеризующуюся минимумом свободной энергии. Поэтому гидрофобные радикалы аминокислот стремятся к объединению внутри глобулярной структуры растворимых в воде белков. Между ними возникают так называемые гидрофобные взаимодействия, а также силы ван дер Ваальса между близко прилегающими друг к другу атомами. В результате внутри белковой глобулы формируется гидрофобное ядро. Гидрофильные группы пептидного остова при формировании вторичной структуры образуют множество водородных связей, благодаря чему исключается связывание с ними воды и разрушение внутренней, плотной структуры белка. Ионные и водородные связи Гидрофильные радикалы аминокислот стремятся образовать водородные связи с водой и поэтому в основном располагаются на поверхности белковой молекулы. Все гидрофильные группы радикалов аминокислот, оказавшиеся внутри гидрофобного ядра, взаимодействуют друг с другом с помощью ионных четвертичная структура белка связи водородных связей рис. Ионные связи могут возникать между отрицательно заряженными анионными карбоксильными группами радикалов аспарагино-вой и глутаминовой кислот четвертичная структура белка связи положительно заряженными катионными группами радикалов лизина, аргинина или гистидина. Водородные связи возникают четвертичная структура белка связи гидрофильными незаряженными группами такими как -ОН, -СОNH 2, SH-группы и любыми другими гидрофильными группами. Белки, функционирующие в неполярном липидном окружении, например белки мембран, имеют обратное устройство: гидрофильные радикалы аминокислот расположены внутри белка, в то время как гидрофобные аминокислоты локализованы на поверхности молекулы и контактируют с неполярным окружением. В каждом случае радикалы аминокислот занимают наиболее выгодное биоэнергетическое положение. Ковалентные связи Третичную структуру некоторых белков стабилизируют четвертичная структура белка связи связи, образующиеся за счёт взаимодействия SН-групп двух остатков цистеина. Эти два остатка цистеина могут находиться далеко друг от друга в линейной первичной структуре белка, но при формировании третичной структуры они сближаются и образуют прочное ковалентное связывание радикалов рис. Большинство внутриклеточных белков лишено дисульфидных связей. Однако такие связи распространены в белках, секретируемых клеткой во внеклеточное пространство. Полагают, что эти ковалентные связи стабилизируют кон-формацию белков вне клетки и предотвращают их денатурацию. К таким белкам относят гормон инсулин иммуноглобулины. Инсулин - белковый гормон; содержит 51 аминокислоту, состоит из двух полипептидных цепей цепь А содержит 21 аминокислоту, цепь В - 30 аминокислот. Четвертичная структура белка связи синтезируется в β-клетках поджелудочной железы и секретирует-ся в кровь в ответ на повышение концентрации глюкозы в крови. В структуре инсулина имеются 2 дисульфидные связи, соединяющие 2 полипептидные цепи А и В, и 1 дисульфидная связь внутри цепи А рис. Структура иммуноглобулинов рассмотрена в подразделе 6 Все белки с четвертичная структура белка связи первичной структурой, находящиеся в одинаковых условиях, приобретают одинаковую, характерную для данного индивидуального белка конформацию, определяющую его специфическую функцию. Функционально активную конформацию белка называют «нативная структура». Конформационная лабильность белков Гидрофобные взаимодействия, а также ионные и водородные связи относят к числу слабых, так как их энергия лишь ненамного превышает энергию теплового движения атомов при комнатной температуре т. Поддержание характерной для белка конфор-мации возможно благодаря возникновению множества слабых связей между различными участками полипептидной цепи. Однако белки состоят из огромного числа атомов, находящихся в постоянном броуновском движении, что приводит к небольшим перемещениям отдельных участков полипептидной цепи, которые обычно не нарушают общую структуру четвертичная структура белка связи и его функции. Следовательно, белки обладают конформационной лабильностью - склонностью к небольшим изменениям конформации за счёт разрыва одних и образования других слабых связей. Конформация белка может меняться при изменении химических и физических свойств среды, а также при взаимодействии белка с другими молекулами. При этом происходит изменение пространственной структуры не только участка, контактирующего с другой молекулой, но и кон-формации белка в целом. Конформационные изменения играют огромную роль в функционировании белков в живой клетке. Денатурация белков Разрыв большого количества слабых связей в молекуле белка приводит к разрушению её нативной конформации. Так как разрыв связей под действием различных факторов носит случайный характер, то молекулы одного индивидуального белка приобретают в растворе форму случайно сформировавшихся беспорядочных клубков, отличающихся друг от друга трёхмерной структурой. Потеря нативной конформа-ции сопровождается утратой специфической функции белков. Этот процесс носит название денатурации белков. При денатурации белков не происходит разрыва пептидных связей, т. В денатурированном белке гидрофобные четвертичная структура белка связи, которые в нативной структуре молекулы спрятаны внутри гидрофобного ядра, оказываются на поверхности. При достаточно высокой концентрации белка и четвертичная структура белка связи сильного отталкивающего заряда молекулы могут объединяться друг с другом гидрофобными взаимодействиями, при этом растворимость белка снижается и происходит образование осадка. Компактная, плотная пространственная структура нативного белка при денатурации резко увеличивается в размерах и становится легко четвертичная структура белка связи для расщепления пептидных связей протеолитическими ферментами рис. Термическая обработка мясной пищи перед употреблением не только улучшает её вкусовые качества, четвертичная структура белка связи и облегчает её ферментативное переваривание в пищеварительной системе. Кроме того, денатурирующим действием на пищевые белки обладает и кислая среда желудка, вызывающая денатурацию тех белков, которые не подвергались предварительной температурной обработке, а также оказывает денатурирующее действие на белки микроорганизмов, попавших в желудок с пищей. Для денатурации белков в биохимических исследованиях часто используют мочевину или гуанидинхлорид, которые образуют водородные связи с ами-но- и карбонильными группами пептидного остова и некоторыми функциональными группами радикалов аминокислот. Происходит разрыв связей, участвующих в форми- ровании вторичной и третичной структуры нативных белков, и образование четвертичная структура белка связи связей с химическими реагентами; кислоты и щелочи, изменяя рН среды, вызывают перераспределение связей в молекуле белка; соли тяжёлых металлов такие как медь, ртуть, серебро, свинец и др. Гидрофобные радикалы белков взаимодействуют с гидрофобными частями детергентов, что изменяет конформацию белков. Денатурированный под действием детергентов белок обычно остаётся в растворённом виде, так как гидрофильные части денатурирующего вещества удерживают его в растворе. К наиболее известным детергентам относят различные мыла рис. Медицинские аспекты конформационной лабильности белков Склонность большинства белков к денатурации в процессе их выделения, хранения использования серьёзно затрудняет их получение и применение в медицине. Для правильного обращения с белковыми лекарственными препаратами к ним прикладывают инструкцию, в которой указывают условия четвертичная структура белка связи хранения использования. Так, большинство белковых препаратов необходимо хранить в холодильнике при температуре не выше 10? С, растворять сухие препараты охлаждённой до комнатной температуры кипячёной водой во избежание их денатурации. Применение денатурирующих агентов в биологических исследованиях и медицине В биохимических исследованиях перед определением в биологическом материале низкомолекулярных соединений из раствора обычно удаляют белки. Для этой четвертичная структура белка связи чаще всего используют трихлоруксусную кислоту. После её добавления в раствор денатурированные белки выпадают четвертичная структура белка связи осадок и легко удаляются фильтрованием. Четвертичная структура белка связи кислоту можно также использовать для денатурации ферментов в целях прекращения ферментативной реакции. В медицине денатурирующие агенты часто используют для стерилизации медицинских инструментов и материала, а также в качестве антисептиков. Например, в автоклавах при высокой температуре стерилизуют медицинские инструменты и материалы. Фенол и его производные крезол, резорцин относят к четвертичная структура белка связи антисептикам ароматического ряда. Обладающие высокой гидрофобностью, они эффективно действуют на вегетативные формы бактерий и грибы, вызывая денатурацию их белков. Эффективность антисептических свойств уменьшается с увеличением растворимости препарата в воде. Раствор крезола в калийном мыле известен как препарат лизол, применяемый в качестве четвертичная структура белка связи средства. Берёзовый дёготь - одна из основных четвертичная структура белка связи частей мази Вишневского, содержит в своем составе фенол. Препарат, используемый для лечения ран, обладает высоким антимикробным действием. Значительное количество антисептиков представлено солями тяжёлых металлов. Их антимикробное действие связано с тем, что уже в довольно низких концентрациях они взаимодействуют с белками микроорганизмов, блокируют их SH-группы изменяют четвертичная структура белка связи конформацию. Из-за высокой токсичности большинство лекарств, содержащих соли тяжёлых металлов, применяют в качестве поверхностных антисептиков. Так, высокой антимикробной активностью обладает сулема - дихлорид ртути HgCl 2. Её используют для обработки рук и дезинфекции помещений. Случайное или преднамеренное отравление препаратами ртути вызывает тяжёлые некротические поражения слизистой оболочки пищеварительного тракта четвертичная структура белка связи некротические изменения в почках. Антимикробными свойствами обладают и препараты серебра, такие как ляпис AgNO четвертичная структура белка связиколларгол серебро коллоидальноеприменяемые для обработки слизистых оболочек при инфекционных заболеваниях. СУПЕРВТОРИЧНАЯ СТРУКТУРА БЕЛКОВ Пространственная структура каждого белка индивидуальна и определяется его первичной структурой. Однако сравнение конформаций разных по структуре и функциям белков выявило наличие у них похожих сочетаний элементов вторичной структуры. Такой специфический порядок формирования вторичных структур называют супервторичной структурой белков. Супервторичная структура формируется за счёт межрадикальных взаимодействий. Определённые характерные сочетания α-спиралей и β-структур часто обозначают как четвертичная структура белка связи мотивы». Специфическое пространственное расположение α-спиралей и β-структур формируется за счёт межрадикальных взаимодействий. Структурный мотив «α-спиральповорот-α-спираль» Этот «структурный мотив» обнаружен во многих ДНК-связывающих белках. Двухспиральная структура ДНК имеет две бороздки - большую и малую. Большая бороздка хорошо приспособлена для связывания белков, имеющих небольшие спиральные участки. В данный структурный мотив входят две четвертичная структура белка связи одна более короткая, другая более длинная, которые соединены поворотом четвертичная структура белка связи цепи. Более короткая α-спираль располагается поперёк бороздки, а более длинная α-спираль - в большой бороздке, образуя нековалентные специфические связи радикалов аминокислот с нуклеотидами Четвертичная структура белка связи рис. Супервторичная структура в виде «цинкового пальца» Этот вид супервторичной структуры также часто отмечают в ДНК-связывающих белках. «Цинковый палец» - фрагмент белка, содержащий около 20 аминокислотных остатков, в котором атом цинка связан с радикалами четырёх аминокислот: обычно с двумя остатками цистеина и двумя - гистидина. В некоторых случаях вместо остатков гистидина также находятся остатки цистеина рис. Четвертичная структура белка связи близко лежащих остатка цистеина отделены от двух других остатков гистидина или цистеина аминокислотной последовательностью, состоящей примерно из 12 аминокислотных остатков. Этот участок белка образует α-спираль, которая может специфично связываться с регуляторными участками большой бороздки ДНК. Специфичность взаимодействия ДНК-связывающего белка с определённой областью ДНК зависит от последовательности аминокислотных остатков, расположенных в области «цинкового пальца». Супервторичная структура в виде «лейциновой застёжки-молнии» Некоторые ДНК-связывающие белки олиго-мерны, т. Кроме того, существуют белки, которые функционируют в комплексе с другими белками. Объединение протомеров или отдельных белков в комплексы иногда осуществляется с помощью структурных мотивов, называемых «лейциновая застёжка-молния». На поверхности каждой из двух взаимодействующих полипептидных цепей или белков имеется α-спиральный участок, содержащий по крайней мере 4 остатка лейцина. Лещиновые остатки располагаются через каждые 6 аминокислот один от другого. Так как каждый виток α-спирали содержит 3,6 аминокислотных остатка, радикалы лейцина находятся на поверхности каждого второго витка. Лейциновые остатки α-спирали одного белка могут взаимодействовать с лейциновыми остатками другого белка с помощью гидрофобных взаимодействий, соединяя их вместе рис. Примером соединения белков с помощью «лейциновой застёжки-молнии» могут служить гистоны. Гистоны - ядерные белки, в состав которых входит большое количество положительно заряженных аминокислот - аргинина и лизина. Молекулы гистонов объединяются в комплексы, состоящие из 8 мономерных белков с помощью «лейциновых застёжек», несмотря на то, что все мономеры имеют сильный положительный заряд. Домен - участок полипептидной цепи, который в процессе формирования пространственной структуры приобрёл независимо от других участков той же цепи конформацию глобулярного белка. Так, лёгкая цепь иммуноглобулина G состоит из двух доменов. В некоторых случаях доменами называют отдельные структурные участки полипептидной цепи. Домены обычно можно выделить, действуя на белок протеолитическими ферментами, легко разрывающими пептидные связи на участке полипептидной цепи, расположенной между доменами. После этого некоторые домены могут сохранять свои биологические свойства. После формирования трёхмерной структуры каждой полипептидной цепи они объединяются с помощью тех же слабых взаимодействий, которые участвовали в образовании третичной структуры: гидрофобных, ионных, водородных. Количество и взаиморасположение полипептидных цепей в пространстве называют «четвертичная структура белков». Отдельные полипептидные цепи в таком белке носят название протомеров, или субъединиц. Белок, содержащий в своём составе несколько протомеров, называют олигомерным. Количество протомеров в структуре олигомерных белков В состав олигомерных белков может входить от двух до нескольких десятков протомеров, хотя наиболее часто встречают белки, содержащие от двух до четвертичная структура белка связи полипептидных цепей димер-ные, тетрамерные белки. Так, фермент гексокиназа содержит в своём составе 2 протомера; белок эритроцитов гемоглобин и фермент лактатдегидрогеназа - 4 протомера; фермент внутренней мембраны митохондрий цитохромоксидаза - 13 протоме-ров, а глутаминсинтетаза - 12 протомеров рис. Имеются также крупные многофункциональные комплексы, содержащие в своём составе несколько десятков полипептидных цепей, например пируватдегидрогеназный комплекс состоит из 312 протомеров. Некоторые олигомерные белки содержат идентичные протомеры например, гексоки-назадругие состоят из разных протомеров. Так, в составе гемоглобина присутствуют 2 α- и 2 β-протомера, а в составе лактатдегидрогена-зы, имеющей 4 протомера, 2 типа мономеров Н и М в разных тканях могут находиться в разных сочетаниях например, 4Н либо 3Н+1М и т. Олигомерные белки имеют большую молекулярную массу. Белки с молекулярной массой более 50 000 Д практически всегда содержат несколько мономерных полипептидных цепей. По сравнению с индивидуальными мономерными белками олигомеры выполняют более сложные функции. Сборка протомеров в олигомерный белок. Комплементарность протомеров «Узнавание» и присоединение отдельных протомеров олигомерного белка происходят благодаря четвертичная структура белка связи на их поверхности контактных участков. Последние состоят из радикалов аминокислот, собранных в данном месте в процессе образования третичной структуры белка. Совокупность этих радикалов формирует уникальные поверхности, способные с высокой специфичностью объединяться друг с другом. Специфичность связывания контактных участков определяется четвертичная структура белка связи комплементарнос-тью. Комплементарность - пространственное и химическое соответствие взаимодействующих поверхностей. Впадины и выступы на поверхности одной молекулы четвертичная структура белка связи совпадать с выступами четвертичная структура белка связи впадинами на поверхности другой молекулы, как два куска неровно разорванной бумаги. Кроме того, функциональные группы радикалов аминокислот на одной контактирующей поверхности должны образовывать слабые химические связи с радикалами аминокислот на другой поверхности рис. В области контактных поверхностей обычно содержится много гидрофобных радикалов аминокислот, в результате объединения которых формиру- ется гидрофобное ядро олигомерного белка. Гидрофильные радикалы могут образовывать водородные ионные связи. Таким образом, взаимодействие протомеров осуществляется во многих точках контактирующих поверхностей, с образованием десятков слабых связей. Благодаря этому контактные поверхности соединяются с высокой специфичностью, и ошибки формирования четвертичной структуры белков практически исключены. Комплементарность - универсальный принцип, свойственный живой природе и лежащий в основе узнавания и соединения не только протомеров, но и других не обязательно белковых молекул. ФОРМИРОВАНИЕ ТРЁХМЕРНОЙ СТРУКТУРЫ БЕЛКА В КЛЕТКЕ Формирование трёхмерной структуры белков - важнейший биологический процесс, так как от пространственной структуры белков зависит их биологическая функция. Процесс сворачивания полипептидной цепи в правильную пространственную структуру получил название «фолдинг белков». Индивидуальные белки, продукты одного гена, имеют идентичную аминокислотную последовательность и приобретают в одинаковых условиях клетки одинаковую конформацию и функцию. Это положение подтверждается способностью некоторых белков после денатурации при которой происходит разрыв слабых связей, но не четвертичная структура белка связи первичная структура белков спонтанно восстанавливать свою уникальную конформацию и функцию. Однако в клетке концентрация белков настолько высока, что существует четвертичная структура белка связи вероятность взаимодействия белков с несформированной конформацией. На их поверхности располагаются гидрофобные радикалы, склонные к объединению. Поэтому для многих четвертичная структура белка связи, имеющих высокую молекулярную массу и сложную пространственную структуру, фолдинг протекает при участии специальной группы белков, четвертичная структура белка связи называют «шапероны» от франц. РЕНАТИВАЦИЯ БЕЛКОВ Долгое время считалось, что процесс денатурации белков необратим. Однако оказалось, что некоторые очищенные и денатурированные белки способны в опытных условиях восстанавливать конформацию при удалении денатурирующих агентов. Ренативация рибонуклеазы В начале 60-х четвертичная структура белка связи. XX века обнаружили, что четвертичная структура белка связи денатурации белков может быть обратимым. Это открытие было сделано при изучении денатурации рибонуклеазы - фермента, расщепляющего связи между нуклеотидами в РНК. Рибонуклеаза - глобулярный белок, содержащий одну полипептидную цепь, состоящую из 124 аминокислотных остатков. Его конформацию стабилизируют 4 дисульфидные и множество слабых связей. Обработка рибонуклеазы β-меркаптоэтанолом формула β-меркаптоэтанола - НО-СН 2-СН 2-SH приводит к разрыву дисульфидных связей и восстановлению Четвертичная структура белка связи цистеиновых остатков, что нарушает компактную структуру белка. Добавление 8 М раствора мочевины или 6 М раствора гуанидинхлорида, вызывающих разрыв слабых связей в белке и образование новых водородных связей с денатурирующими агентами, приводит к образованию случайным образом свёрнутых полипептидных цепей рибонуклеазы, лишённых ферментативной активности, т. Денатурирующие агенты четвертичная структура белка связи разрушают первичную структуру белка. Однако если путём диализа очистить рибонук-леазу от денатурирующих агентов и β-меркап-тоэтанола, ферментативная активность белка постепенно восстанавливается. Этот процесс называется ренатурацией, или ренативацией белка. Сульфгидрильные группы денатурированного фермента под действием кислорода воздуха окисляются, в результате вновь возникают 4 дисульфидные связи, характерные для натив-ной структуры белка. Из 105 возможных способов связывания восьми SH-групп остатков цистеина реализуется только один вариант, характерный для нативной конформации белка рис. Возможность ренативации впоследствии была доказана и для других белков, в частности миог-лобина. Сохранность первичной структуры белка - необходимое условие для восстановления его конформации. На основании этих опытов был выведен фундаментальный принцип молекулярной биологии: аминокислотная последо- Рис. Денатурация и ренативация рибонуклеазы. А - нативная молекула рибонуклеазы, в третичной структуре которой имеются 4 дисульфидные связи; Б - денатурированная молекула рибонуклеазы; В - нативная молекула рибонуклеазы, в структуре которой вновь образованы 4 дисульфидные связи между теми же остатками цистеина. Формирование пространственной структуры белка - самопроизвольный процесс, при котором белок стремится принять в данных условиях конформацию с наименьшей свободной энергией. Изменение условий окружающей среды четвертичная структура белка связи изменение первичной структуры данного белка могут привести к изменению его конформации и функции. СТРУКТУРА И ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ РОЛЬ ШАПЕРОНОВ В ФОЛДИНГЕ БЕЛКОВ В процессе синтеза полипептидных цепей, транспорта их через мембраны, при сборке олигомерных белков возникают промежуточные нестабильные конформации, склонные к агрегации. На вновь синтезированном полипептиде имеется множество четвертичная структура белка связи радикалов, которые в трёхмерной структуре спрятаны внутри молекулы. Поэтому на время формирования нативной конформации реакционно-способные аминокислотные четвертичная структура белка связи одних белков должны быть отделены от таких же групп других белков. Во всех известных организмах от прокариотов до высших эукариотов обнаружены белки, способные связываться с белками, находящимися в неустойчивом, склонном к агрегации состоянии. Они способны стабилизировать их конформа-цию, обеспечивая фолдинг белков. Эти белки получили название «шапероны». Среди шаперонов различают: четвертичная структура белка связи белки высокий базальный синтез которых не зависит от стрессовых воздействий на клетки организмаи индуцибельные, синтез которых в нормальных условиях идёт слабо, но при стрессовых воздействиях на клетку резко увеличивается. Индуцибельные шапероны относят к «белкам теплового шока», быстрый синтез которых отмечают практически во всех клетках, которые подвергаются любым стрессовым воздействиям. Название «белки теплового шока» возникло в результате того, что впервые эти белки были обнаружены в клетках, которые подвергались воздействию высокой температуры. Роль шаперонов в фолдинге белков При синтезе белков N-концевая область полипептида синтезируется раньше, чем С-конце-вая область. Для формирования конформации белка нужна четвертичная структура белка связи полная аминокислотная четвертичная структура белка связи. Поэтому в период синтеза белка на рибосоме защиту реакционно-способных радикалов особенно гидрофобных осуществляют Ш-70. Ш-70 - высококонсервативный класс белков, который присутствует во всех отделах клетки: цитоплазме, ядре, ЭР, митохондриях. В области карбоксильного конца единственной полипептидной цепи шаперонов есть участок, образованный радикалами аминокислот в форме бороздки. Он способен взаимодействовать с участками белковых молекул и развёрнутых полипептадных цепей длиной в 7-9 аминокислот, обогащенных гидрофобными радикалами. В синтезирующейся полипептидной цепи такие участки встречают примерно через каждые 16 аминокислот. Фолдинг многих высокомолекулярных белков, имеющих сложную конформацию например, доменное строениеосуществляется в специальном пространстве, сформированном Ш-60. Ш-60 функционируют в виде олигомерного комплекса, состоящего из четвертичная структура белка связи субъединиц рис. Ш-60 образуют 2 кольца, каждое из которых состоит из 7 субъединиц, соединённых друг с другом. Субъединица Ш-60 состоит из 3 доменов: четвертичная структура белка связи верхушечногопромежуточного и экваториального. Верхушечный домен имеет ряд гидрофобных остатков, обращённых в полость кольца, сформированного субъединицами. Экваториальный домен имеет участок связывания с АТФ и обладает АТФ-азной активностью, т. Шапероновый комплекс имеет высокое сродство к белкам, на поверхности которых есть элементы, характерные для несвёрнутых молекул прежде всего участки, обогащённые гидрофобными радикалами. Попадая в полость шаперонового комплекса, белок связывается с гидрофобными радикалами апикальных участков Ш-60. В специфической среде этой полости, в изоляции от других молекул клетки происходит перебор возможных конформаций белка, пока не будет найдена единственная, энергетически наиболее выгодная конформация. Высвобождение белка со сформированной нативной конформацией сопровождается гидролизом АТФ в экваториальном домене. Если белок не приобрёл нативной конформации, то он вступает в повторную связь с шапероновым комплексом. Такой шаперонзависимый фол-динг белков требует затрат большого количества энергии. Таким образом, синтез и фолдинг белков четвертичная структура белка связи при участии разных групп шаперонов, препятствующих нежелательным взаимодействиям белков с другими четвертичная структура белка связи клетки и сопровождающих их до окончательного формирования нативной структуры рис. Роль шаперонов в защите белков клеток от денатурирующих стрессовых воздействий Шапероны, участвующие в защите клеточных белков от денатурирующих воздействий, как уже Рис. Структура шаперонового комплекса, состоящего из 14 белковых молекул Ш-60. При действии различных стрессовых факторов высокая температура, гипоксия, инфекция, УФО, изменение рН среды, изменение моляр-ности среды, действие токсичных химических веществ, тяжёлых металлов и т. Имея высокое сродство к гидрофобным участкам частично денатурированных белков, они могут препятствовать их полной денатурации и восстанавливать на-тивную конформацию белков. Установлено, что кратковременные стрессовые воздействия увеличивают выработку БТШ и повышают устойчивость организма к длительным стрессовым воздействиям. Так, кратковременная ишемия сердечной мышцы в период бега при умеренных тренировках значительно повышает устойчивость миокарда к длительной ишемии, вызванной стенокардией или закупоркой сосудов сердца тромбом. В настоящее время перспек- тивными исследованиями в медицине считают поиски фармакологических и молекулярно-био-логических способов активации синтеза БТШ в клетках. Болезни, связанные с нарушением фолдинга белков Расчёты показали, что четвертичная структура белка связи небольшая часть теоретически возможных вариантов полипептидных цепей может принимать одну стабильную пространственную структуру. Большинство же таких белков может принимать множество конформаций с примерно одинаковой энергией Гиббса, но с различными свойствами. Первичная структура большинства известных белков, отобранных эволюцией, обеспечивает исключительную стабильность одной конформации. Однако некоторые растворимые в воде белки при изменении условий могут приобретать конформацию плохо растворимых, способных к агрегации молекул, образующих в клетках фибриллярные отложения, именуемые амилоидом от лат. Так же как и крахмал, четвертичная структура белка связи отложения выявляют при окраске ткани йодом. В результате отложения амилоида в органах и тканях нарушаются структура и функция клеток, наблюдают их дегенеративные изменения и разрастание соединительнотканных или глиальных клеток. Развиваются болезни, называемые амилоидозами. Для каждого вида амило-идоза характерен определённый тип амилоида. В настоящее время описано более 15 таких болезней. Болезнь Альцхаймера Болезнь Альцхаймера - наиболее часто отмечаемый β-амилоидоз нервной четвертичная структура белка связи, как правило, поражающий лиц преклонного возраста и характеризующийся прогрессирующим расстройством памяти и полной деградацией личности. В ткани мозга откладывается β-ами-лоид - белок, образующий нерастворимые фибриллы, нарушающие структуру и функции нервных клеток. Он образуется из более крупного предшественника частичным протеолизом и синтезируется во многих тканях. Причины нарушения четвертичная структура белка связи нативных белков в ткани мозга ещё предстоит выяснить. Возможно, с возрастом уменьшается синтез шаперонов, способных участвовать в формировании и поддержании нативной конформации белков, или увеличивается активность протеаз, что приводит к увеличению концентрации белков, склонных изменять конформацию. Прионовые болезни Прионы - особый класс белков, обладающих инфекционными свойствами. Попадая в организм человека или спонтанно возникая в нём, они способны вызывать тяжёлые неизлечимые заболевания ЦНС, называемые прионовыми болезнями. Название «прионы» происходит от аббревиатуры английской фразы proteinaceous infectious particle - белковая инфекционная частица. Прионовый белок кодируется тем же геном, что и его нормальный аналог, т. Однако два белка обладают различной конформацией: прионовый белок характеризуется высоким содержанием β-слоёв, в то время как нормальный белок имеет много а-спиральных участков. Кроме того, прионовый белок обладает устойчивостью к действию протеаз и, попадая в ткань мозга или образуясь там спонтанно, способствует превращению нормального белка в прионовый в результате межбелковых взаимодействий. Образуется так называемое «ядро полимеризации», состоящее из агрегированных прионовых белков, к которому способны присоединяться новые молекулы нормального белка. В результате в их пространственной структуре происходят конформационные перестройки, характерные для четвертичная структура белка связи белков. Известны случаи наследственных форм прионовых болезней, вызванных мутациями в структуре данного белка. Однако возможно четвертичная структура белка связи заражение человека прионовыми белками, четвертичная структура белка связи результате чего возникает заболевание, приводящее к гибели больного. Так, куру - прионовая болезнь аборигенов Новой Гвинеи, эпидемический характер которой связан с традиционным каннибализмом в этих племенах и передачей инфекционного белка от одной особи к четвертичная структура белка связи. В связи с изменением образа их жизни данное заболевание практически исчезло. В настоящее время интерес к прионовым болезням возрос в связи с заражением людей прионами при употреблении мясопродуктов, полученных от животных, являющихся носителями прионов, вызывающих «бешенство коров» болезнь Кройтц-фельдта-Якоба. Несмотря на то, что прионовые белки человека и животных различаются лишь незначительно, долгое время полагали, что существуют межвидовые барьеры на пути передачи болезни. Однако последние данные показали, что эти барьеры четвертичная структура белка связи абсолютны, и что существует принципиальная возможность передачи болезни от одного вида другому. Так, в Великобритании к середине 1999 г. Прогноз не исключает развития эпидемии прионовой болезни в ближайшие 10-15 лет. ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ БЕЛКОВ Четвертичная структура белка связи индивидуальный белок, имеющий уникальную первичную структуру и конфор-мацию, обладает и четвертичная структура белка связи функцией, отличающей его от всех остальных белков. Набор индивидуальных белков выполняет в клетке множество разнообразных и сложных функций. Необходимое условие для функционирования белков - присоединение к нему другого вещества, которое называют «лиганд». Лигандами могут быть как низкомолекулярные вещества, так и макромолекулы. Взаимодействие белка с лигандом высокоспецифично, что определяется строением участка белка, называемого центром связывания белка с лигандом или активным центром. АКТИВНЫЙ ЦЕНТР БЕЛКОВ И ИЗБИРАТЕЛЬНОСТЬ СВЯЗЫВАНИЯ ЕГО С ЛИГАНДОМ Активный центр белков - определённый участок белковой молекулы, как правило, находящийся в её углублении «кармане»сформированный радикалами аминокислот, собранных на определённом пространственном участке при формировании третичной структуры и способный комплементарно связываться с лигандом. Четвертичная структура белка связи линейной последовательности полипептидной цепи радикалы, формирующие активный центр, могут находиться на значительном расстоянии друг от друга. Высокая специфичность связывания белка с ли-гандом обеспечивается комплементарностью структуры активного центра белка структуре лиганда рис. Под комплементарностью понимают пространственное и химическое соответствие взаимодействующих молекул. Лиганд четвертичная структура белка связи обладать способностью входить и пространственно совпадать четвертичная структура белка связи конформацией активного центра. Это совпадение может быть неполным, но благодаря конформационной лабильности белка активный центр способен к небольшим изменениям и «подгоняется» под лиганд. Кроме того, между функциональными группами лиган- да и радикалами аминокислот, образующих активный центр, должны возникать связи, удерживающие лиганд в активном центре. Связи между лигандом и активным центром белка могут быть как нековалентными ионными, водородными, гидрофобнымитак и ковалентными. Четвертичная структура белка связи активного центра Активный центр белка - относительно изолированный от окружающей белок среды участок, сформированный аминокислотными остатками. В этом участке каждый остаток благодаря своему индивидуальному размеру и функциональным группам формирует «рельеф» активного центра. Объединение таких аминокислот в единый функциональный четвертичная структура белка связи изменяет реакционную способность их радикалов, подобно тому, как меняется звучание музыкального инструмента в четвертичная структура белка связи. Поэтому аминокислотные остатки, входящие в состав активного центра, часто называют «ансамблем» аминокислот. Уникальные свойства активного центра зависят не только от химических свойств формирующих его аминокислот, но и от их точной взаимной ориентации в пространстве. Поэтому даже незначительные нарушения общей конформации белка в результате точеч- Рис. Взаимодействие четвертичная структура белка связи с лигандом. А и Б - некомплементарное взаимодействие и разрушение связей между белком и лигандом; В - комплементарное взаимодействие четвертичная структура белка связи с лигандом. При денатурации активный центр белков разрушается, и происходит утрата их биологической активности. Часто активный центр формируется таким образом, что доступ четвертичная структура белка связи к функциональным группам его радикалов ограничен, т. В некоторых случаях лиганд присоединяется только к одному из атомов, обладающему определённой реакционной способностью, четвертичная структура белка связи присоединение О 2 к железу миоглобина или гемоглобина. Однако свойства данного атома избирательно взаимодействовать с О 2 определяются свойствами радикалов, окружающих атом железа в составе гема. Гем содержится и в других белках, таких как цитохромы. Однако функция атома железа в цитохромах иная, он служит посредником для передачи электронов от одного вещества другому, при этом железо становится то двух- то трёхвалентным. Центр связывания белка с лигандом часто располагается между доменами. Например, про-теолитический фермент трипсин, участвующий в гидролизе пептидных четвертичная структура белка связи пищевых белков в кишечнике, имеет 2 домена, разделённых бороздкой. Внутренняя четвертичная структура белка связи бороздки формируется аминокислотными радикалами этих доменов, стоящими в полипептидной цепи далеко друг от друга Сер 177, Гис 40, Асп 85. Разные домены в белке могут перемещаться четвертичная структура белка связи относительно друга при взаимодействии с лигандом, что облегчает дальнейшее функционирование белка. В качестве примера можно рассмотреть работу гексокиназы, четвертичная структура белка связи, катализирующего перенос фосфорного остатка с АТФ на молекулу глюкозы при её фосфо-рилировании. Четвертичная структура белка связи центр гексокиназы располагается в расщелине между двумя доменами рис. Основное свойство белков, лежащее в основе их функций, - избирательность присоединения к определённым участкам белковой молекулы специфических лигандов. Связывание гексокиназы с глюкозой. В тех случаях, когда аминокислотные остатки, формирующие активный центр, не могут обеспечить функционирование данного белка, к определённым участкам активного центра могут присоединяться небелковые молекулы. Так, в активном центре многих ферментов присутствует ион металла кофактор или органическая небелковая молекула кофермент. Небелковую часть, прочно связанную с активным центром белка и необходимую для его функционирования, называют «простетическая группа». Ми-оглобин, гемоглобин и цитохромы имеют в активном центре простетическую группу - гем, содержащий железо более подробно четвертичная структура белка связи белки описаны в разделе 4, а кофакторы и коферменты - в разделе 2. Соединение протомеров в олигомерном белке - пример взаимодействия высокомолекулярных лигандов. Каждый протомер, соединённый с другими протомерами, служит для них лигандом, так же как они для него. Иногда присоединение какого-либо лиганда изменяет конформацию белка, в результате чего формируется центр связывания с другими ли-гандами. Например, белок кальмодулин после связывания с четырьмя ионами Са 2+ в специфических участках приобретает способность взаимодействовать с некоторыми ферментами, меняя их активность. Сродство активного центра лиганду Скорость взаимодействия белка с лигандом определяется концентрациями белка и лиганда в растворе, а также степенью комплементарности белка и лиганда. Константа диссоциации - характеристика сродства активного центра лиганду. Так как взаимодействие белка с лигандом - обратимый процесс, то его можно описать следующим уравнением: где Р - белок, L - лиганд, PL - комплекс белка с лигандом, К 1 - константа скорости связывания белка с лигандом, К -1 - константа скорости распада комплекса PL. Чем меньше К дисс, тем больше молекул лиганда связано с белком, тем больше комплементарность между P и L и тем больше сродство лиганда к белку. То есть между К дисс и сродством лиган-да к белку имеется обратно пропорциональная связь. Иногда при описании процесса связывания белка с лигандом используют величину, обратную К диссназываемую константой связывания К св или ассоциации. Эта зависимость носит характер гиперболической кривой рис. Кривая стремится к максимуму, когда при некоторой концентрации лиганда все молекулы белка находятся в связанном с лигандом состоянии происходит насыщение белка лигандом. К дисс численно равна концентрации лиганда, при которой 50% белка находится в комплексе с лигандом. Поэтому по кривой насыщения можно найти К дисс и оценить сродство данного белка лиганду. Учитывая, что его количество пропорционально концентрации белка, можно на четвертичная структура белка связи построенного графика определять концентрацию белка в растворе рис. ВЕЩЕСТВА, ВЛИЯЮЩИЕ НА ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ БЕЛКОВ Хотя взаимодействие лиганда с активным центром белка высокоспецифично, всегда можно подобрать другое вещество, которое так же будет взаимодействовать с белком. Лиганд, взаимодействующий с белком и нарушающий его функцию, называют «ингибитор белка». Если это вещество по структуре похоже на лиганд, его называют структурным аналогом лиганда; оно также взаимодействует с активным центром белка. Аналог, замещающий естественный лиганд в активном центре белка и снижающий его функцию, называют «конкурентный ингибитор белка». Лекарственные препараты как модуляторы белковых функций Аналоги естественных лигандов белков используют в медицине в качестве лекарственных средств. Широкое применение такие лекарства нашли в регуляции передачи возбуждения через синапсы. Передача сигнала четвертичная структура белка связи нерва к нерву или от нерва к эффекторному органу осуществляется через синапсы с помощью химических молекул, называемых нейромедиаторами. Нейромедиатор, выделяемый при прохождении импульса нервными окончаниями, должен высокоспецифично взаимодействовать с белками-рецепторами на пост-синаптической мембране. Однако, модифицируя химическую структуру нейромедиатора, можно получить вещества, которые четвертичная структура белка связи связывались бы с четвертичная структура белка связи, но при этом менялся физиологический эффект: уменьшался или усиливался. В фармакологии такие вещества называют «антагонисты» и четвертичная структура белка связи соответственно. Ингибиторы белков-рецепторов в четвертичная структура белка связи синапсах В качестве примера можно рассмотреть лекарства, нарушающие проведение нервного импуль- са через холинергические синапсы, где в качестве нейромедиатора используется ацетилхолин. Хо-линергические белки-рецепторы неоднородны по своей структуре и способны связываться с другими, кроме ацетилхолина, лигандами. В нервно-мышечных синапсах присутствуют Н-холинорецепторы, взаимодействие которых с ацетилхолином вызывает сокращение мышц. Для расслабления мышц в эндоскопических исследованиях, а также при разнообразных хирургических операциях используют структурные аналоги ацетилхолина, служащие ингибиторами функций данных рецепторов. Пример такого вещества - дитилин, относящийся к группе лекарственных веществ, называемых миорелаксан-тами вызывающими мышечное расслабление. Первоначально эти свойства были обнаружены у яда кураре, в связи с чем данные препараты называют также курареподобными. Дитилин относится к миорелаксантам деполяризующего действия. В отличие от ацетилхолина, быстро разрушающегося в синаптической щели ферментом-аце-тилхолинэстеразой, дитилин из-за значительно более медленного его разрушения ферментом, вызывает стойкую деполяризацию мембраны и нарушение проведения нервного импулса, что и вызывает мышечное расслабление. Наиболее известный специфический ингибитор М-холинорецепторов - атропин. Атропин - алкалоид, содержащийся в некоторых растениях: красавке, белене, дурмане. Он присоединяется к М-холинорецепторам, находящимся на мембране эффекторных клеток, в области окончаний парасимпатических четвертичная структура белка связи. Атропин препятствует их взаимодействию с ацетилхолином антагонист природного лигандатем самым устраняя эффекты раздражения парасимпатических нервов. Так как ацетилхолин, связываясь с М-холи-норецепторами, вызывает сокращение многих гладких мышц, атропин как лекарственный препарат снимает мышечные спазмы спазмолитик. Кроме того, он снижает стимулируемую ацетилхолином секрецию желёз бронхиальных, пищеварительных, потовых. М-холинорецепторы присутствуют в разных отделах ЦНС. Передозировка атропина может вызвать двигательное и речевое возбуждение. Лекарственные вещества - стимуляторы белковых функций Однако некоторые структурные аналоги ли-гандов рецепторных белков не являются ингибиторами, а вызывают такие же или более четвертичная структура белка связи физиологические эффекты, чем природные лиганды. Их более сильный и длительный эффект часто связан с тем, что модифицированные лиганды медленнее инактивируются и разрушаются в организме. Например, мезатон по структуре похож на нейромедиаторы симпатической нервной системы норадреналин и адреналин. Мезатон повышает тонус сосудов и АД, поэтому его используют при гипотонии и коллапсе. Он четвертичная структура белка связи подвержен действию инак-тивирующих его ферментов, поэтому оказывает более длительный и сильный эффект, чем его природные аналоги см. Яды - специфические лиганды определённых белков Некоторые яды, попадая в организм человека, прочно связываются с определёнными белками, ингибируют их и тем самым вызывают нарушения биологических функций. Например, α-нейротоксины кобры и крайта специфически взаимодействуют с холинергичес-кими рецепторами постсинаптических мембран, блокируя их работу, и оказывают курареподоб-ное действие. Их третичную структуру стабилизируют 4 или 5 специфических дисульфидных связей в зависимости от вида токсина. Очевидно, между токсином и рецептором образуется множество связей, что и приводит к их практически необратимому соединению. Необходимо четвертичная структура белка связи, что между лекарствами и ядами часто существует прозрачная граница, и эффект их действия зависит от дозы вводимого вещества. Так, лекарства, назначаемые в дозах, больших чем терапевтические, могут действовать как яды, т. Например, атропин, широко применяемый для снятия четвертичная структура белка связи гладких мышц, в больших дозах вызывает возбуждение ЦНС, а в ещё больших дозах - сон, переходящий в кому. Известное гипотензивное средство клофелин при передозировке вызывает коллапс. ОСОБЕННОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ОЛИГОМЕРНЫХ БЕЛКОВ НА ПРИМЕРЕ ГЕМОГЛОБИНА Олигомерные белки проявляют свойства, отсутствующие у мономерных белков. Влияние четвертичной структуры на функциональные свойства белка можно рассмотреть, сравнивая строение и функции двух родственных гемсодержащих белков: миоглобина и гемоглобина. Оба четвертичная структура белка связи имеют общее эволюционное происхождение, сходную конформацию отдельных полипептидных цепей и сходную функцию участвуют в транспорте кислородано миоглобин - мономерный белок, а гемоглобин - тетрамер. Наличие четвертичной структуры у гемоглобина придаёт этому белку свойства, отсутствующие у миоглобина. СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ МИОГЛОБИНА Миоглобин относят к классу гемсодержащих белков, т. Миоглобин относят к глобулярным белкам; он имеет только одну полипептидную цепь. Клеточная локализация и функция Миоглобин содержится в красных мышцах и участвует в запасании кислорода. В условиях интенсивной мышечной работы, когда парциальное давление кислорода в ткани падает, О 2 освобождается из комплекса с миоглобином используется в митохондриях четвертичная структура белка связи для получения необходимой для работы мышц энергии. Строение миоглобина Миоглобин содержит четвертичная структура белка связи часть гем и белковую часть апомиоглобин. Гем - молекула, имеющая структуру циклического тетрапиррола, где 4 пиррольных кольца соединены метиленовыми мостиками и содержат 4 метальные, 2 винильные и 2 пропионатные боковые цепи. Эта органическая часть гема называется протопорфири-ном. Возможны 15 вариантов расположения боковых цепей, но в составе гемопротеинов присутствует только один изомер, называемый протопорфирин IX. В геме 4 атома азота пир-рольных колец протопорфирина IX связаны четырьмя координационными связями с Fe 2+, находящимся в центре молекулы рис. Апомиоглобин - белковая часть миоглобина; первичная структура представлена последовательностью из 153 аминокислот, которые во вторичной структуре уложены в 8 α-спиралей. Для обозначения индивидуальных аминокислот в первичной структуре апомиоглобина используют либо написание их порядкового номера от N-конца например, Гис 64, Фен четвертичная структура белка связилибо букву α-спирали и порядковый номер данной аминокислоты в этой спирали, начиная с N-конца например, Гис F 8. Третичная структура имеет вид компактной глобулы внутри практически нет свободного местаобразованной за счёт петель и поворотов в области неспирализованных участков белка. Внутренняя часть молекулы почти целиком состоит из гидрофобных ра- дикалов, за исключением двух остатков Гис, располагающихся в активном центре. Связывание гема с апомиоглобином Гем - специфический лиганд апомиогло-бина, присоединяющийся к белковой части в углублении между двумя α-спиралями F и Центр связывания с гемом образован преимущественно гидрофобными остатками аминокислот, четвертичная структура белка связи гидрофобные пиррольные кольца гема. Две боковые группы пропионовых кислот, ионизированные при физиологических значениях рН, выступают на поверхности молекулы. В активный центр апомиоглобина кроме гидрофобных аминокислот входят также 2 остатка Гис Гис 64 и Гис 93 или Гис Е 7 и Гис F 8играющие важную роль в функционировании четвертичная структура белка связи. Они расположены по разные стороны от плоскости гема и входят в состав спиралей F и Е, между которыми располагается гем. Атом железа в геме может образовывать 6 координационных связей, 4 из которых удерживают Fe 2+ в центре протопорфирина IX соединяя его с атомами азота пиррольных колеца 5-я связь возникает между Fe 2+ и атомом азота имидазольного кольца Гис F 8 рис. Гис Е 7 хотя и не связан с гемом, но необходим для правильной ориентации и присоединения другого лиганда - О 2 к миоглобину. Аминокислотное окружение гема четвертичная структура белка связи условия для довольно прочного, но обратимого Рис. Расположение гема в активном центре апомиоглобина и протомеров четвертичная структура белка связи. Гидрофобные остатки аминокислот, окружающие гем, препятствуют проникновению в центр связывания миоглобина воды и окислению Fe 2+ в Fe 3+. Трёхвалентное железо в составе гема не способно присоединять О 2. СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ ГЕМОГЛОБИНА Гемоглобины - родственные белки, находящиеся четвертичная структура белка связи эритроцитах человека и позвоночных животных. Кровь ежедневно должна переносить из лёгких в ткани около 600 л О 2. Так как О четвертичная структура белка связи плохо растворим в воде, то практически весь четвертичная структура белка связи в крови связан с гемоглобином эритроцитов. От способности гемоглобина насыщаться О 2 в лёгких и относительно легко отдавать его в капиллярах тканей зависят количество получаемого тканями О 2. С другой стороны, О 2 - сильный окислитель, избыток поступления О 2 в ткани может привести к повреждению четвертичная структура белка связи и нарушению структуры и функций клеток. Поэтому важнейшая характеристика гемоглобина - его способность регулировать сродство к О 2 в зависимости от тканевых условий. Гемоглобины, так же как миоглобин, относят к гемопротеинам, но они имеют четвертичную структуру состоят из 4 полипептидных цепейблагодаря которой возникает возможность регуляции их функций. Гемоглобины человека Гемоглобины взрослого человека В эритроцитах взрослого человека гемоглобин составляет 90% от всех белков данной клетки. Гемоглобин А - основной гемоглобин взрослого организма, составляет около 98% от общего количества гемоглобина, тетрамер, состоит из 2 полипептидных цепей α и 2 β 2α2β. Гемоглобин А 2 находится в организме взрослого человека в меньшей концентрации, на его долю приходится около 2% общего гемоглобина. Он состоит из 2 α- и 2 δ-цепей. Гемоглобин А 1с - гемоглобин А, модифицированный ковалентным присоединением к четвертичная структура белка связи глюкозы так называемый гликозили-рованный гемоглобин. Гемоглобины, синтезирующиеся в период внутриутробного развития плода: Эмбриональный гемоглобин синтезируется в эмбриональном желточном мешке через несколько недель после оплодотворения. Представляет собой тетрамер 2ξ2ε. Через 2 нед после формирования печени плода в ней начинает синтезироваться гемоглобин F, который к 6 мес замещает эмбриональный гемоглобин. Гемоглобин F - фетальный гемоглобин, синтезируется в печени и костном мозге плода до периода его рождения. Имеет тетрамерную структуру, состоящую из 2 α- и 2 четвертичная структура белка связи. После рождения ребёнка постепенно четвертичная структура белка связи на гемоглобин А, который начинает синтезироваться в клетках костного мозга уже на 8-м месяце развития плода. Строение гемоглобина А Строение протомеров четвертичная структура белка связи Конформация отдельных протомеров гемоглобина удивительно напоминает конформацию миоглобина, несмотря на то, что в четвертичная структура белка связи структуре их полипептидных цепей идентичны только 24 аминокислотных остатка. Протомеры гемоглобина, так же как и апомиоглобин, состоят Рис. Пространственное четвертичная структура белка связи СО и О 2, связанных со свободным гемом А и гемом в составе гемоглобина или миоглобина Соединение гема с глобином белковой частью аналогично таковому у миоглобина - гидрофобное окружение гема, за исключением 2 остатков Гис Е 7 и Гис F 8 рис. Однако тетрамерная структура гемоглобина представляет собой более сложный структурно-функциональный четвертичная структура белка связи, чем миоглобин. Роль гистидина Е 7 в функционировании миоглобина и гемоглобина Гем имеет высокое сродство к оксиду углерода СО. Четвертичная структура белка связи водной среде свободный от белковой части гем связывается с СО в 25 000 раз сильнее, чем О 2. Высокая степень сродства гема к СО по четвертичная структура белка связи с О 2 объясняется разным пространственным расположением комплексов Fe 2+ гема с СО и О 2 четвертичная структура белка связи. В комплексе Fe 2+ гема с СО атомы Fe 2+, углерода и кислорода расположены на одной прямой, а в комплексе Fe 2+ гема с О 2 атомы железа и кислорода расположены под углом, что отражает их оптимальное пространственное расположение. Четвертичная структура белка связи миоглобине четвертичная структура белка связи гемоглобине над Fe 2+ в области присоединения О 2 расположен Гис Е 7, нарушающий оптимальное расположение СО в центре связывания белков и ослабляющий его взаимодействие с гемом. Напротив, тот же Гис Е 7 создаёт оптимальные условия для четвертичная структура белка связи О 2 рис. В результате сродство гема к СО в белках всего в 200 раз превышает его сродство к О 2. Снижение сродства гемсодержащих белков к СО имеет важное биологическое значение. СО образуется в небольших количествах при катаболизме некоторых веществ, в частности гема. Этот эндогенно образующийся СО блокирует около 1% гемсодержащих белков. Если бы сродство гема к СО не уменьшалось под влиянием белкового окружения, эндогенный оксид углерода мог бы вызывать серьёзные отравления. Четвертичная структура гемоглобина Четыре полипептидные цепи, соединённые вместе, образуют почти правильную форму шара, где каждая α-цепь контактирует с двумя β-цепями рис. Так как в области контакта между α 1- и β 1- а также между α 2- и β 2-цепями находится много гидрофобных четвертичная структура белка связи, то между этими полипептидными цепями формируется сильное соединение за счёт возникновения в первую очередь гидрофобных, а также ионных и водородных связей. В результате образуются димеры α 1β 1 и α 2β 2. Между этими димерами в тетрамерной молекуле гемоглобина возникают в основном полярные ионные и водородные связи, поэтому при изменении рН среды в кислую или щелочную сторону в первую очередь разрушаются связи между димерами. Кроме того, димеры способны легко перемещаться относительно друг друга. Так как поверхность протомеров неровная, полипептидные цепи в центральной области не могут плотно прилегать друг к другу, в результате в центре формируется «центральная полость», проходящая сквозь всю молекулу четвертичная структура белка связи. Связывание гемоглобина с О 2 в лёгких и его диссоциация из комплекса в тканях Основная функция гемоглобина - доставка О 2 от лёгких к тканям. Олигомерная структура гемоглобина обеспечивает быстрое насыщение его кислородом четвертичная структура белка связи лёгких образование четвертичная структура белка связи - НЬ О 2 4возможность отщепления кислорода от гемоглобина в капиллярах тканей при относительно высоком парциальном давлении О 2, а также возможность регуляции сродства гемоглобина к О 2 в зависимости от потребностей тканей в кислороде. Изменение положения Fe 2+ и белковой части гемоглобина при присоединении Четвертичная структура белка связи 2. Кооперативные изменения конформации протомеров О 2 связывается с протомерами гемоглобина через Fe 2+который соединён с четырьмя атомами азота пиррольных колец гема и атомом азота Гис F 8 белковой части протомера. Связывание О 2 с оставшейся свободной координационной связью Fe 2+ происходит по другую сторону от плоскости гема в четвертичная структура белка связи Гис Е 7 аналогично тому, как это происходит у миоглобина. Гис Е 7 не взаимодействует с О 2, но обеспечивает оптимальные условия для его связывания рис. В дезоксигемоглобине благодаря ковалентной четвертичная структура белка связи с белковой частью атом Fe 2+ выступает из плоскости гема в направлении Гис F 8. Присоединение О 2 к атому Fe 2+ одного протомера вызывает его перемещение в плоскость гема, за ним перемещаются остаток Гис F 8 и полипептидная цепь, в состав которой он входит. Так как протомер связан с остальными протомерами, а белки обладают конформационной лабильностью, происходит изменение конформации всего белка. Конформационные изменения, произошедшие в других протомерах, облегчают присоединение следующей молекулы О 2, что вызывает новые конформационные изменения в белке и ускорение связывания следующей молекулы О 2. Четвёртая молекула О 2 присоединяется к гемоглобину в 300 раз легче, чем первая молекула рис. Изменение конформации а следовательно и функциональных свойств всех протомеров олигомерного белка при присоединении лиганда только к одному из них носит название кооперативных изменений конформации протомеров. Аналогичным образом в тканях диссоциация каждой молекулы О 2 изменяет конформацию всех протомеров и облегчает отщепление последующих молекул О 2. Кооперативные изменения конформации протомеров гемоглобина при присоединении О 2. Кривые диссоциации О 2 для миоглобина и гемоглобина Кооперативность в работе протомеров гемоглобина можно наблюдать и на кривых диссоциации О 2 для миоглобина и гемоглобина рис. Отношение занятых О 2 участков связывания белка к общему числу таких участков, способных к связыванию, называется степенью насыщения этих белков кислородом. Кривые диссоциации показывают, насколько насыщены данные четвертичная структура белка связи О 2 при различных значениях парциального давления кислорода. Кривая диссоциации О 2 для миоглобина имеет вид простой гиперболы. Это указывает на то, что миоглобин обратимо связывается с лигандом, и на это не оказывают влияние никакие посторонние факторы схема ниже. Процессы образования и распада оксимиог-лобина находятся в равновесии, и это равновесие смещается влево или вправо в зависимости от того, добавляется или удаляется кислород из системы. Миоглобин связывает кислород, который в капиллярах тканей высвобождает гемоглобин, и сам миоглобин может освобождать О 2 в ответ на возрастание потребностей в нём мышечной ткани и при интенсивном использовании О 2 в результате физической нагрузки. Миоглобин имеет очень высокое сродство к О 2. Даже четвертичная структура белка связи парциальном давлении О 2, равном 1-2 мм рт. Кривая диссоциации О 2 для четвертичная структура белка связи. Из графика на рис. Кривая диссоциации для гемоглобина имеет сигмоидную форму S-образную. Это указывает на то, что протомеры гемоглобина работают кооперативно: чем больше О 2 отдают протоме-ры, тем легче идёт отщепление последующих молекул О 2. В капиллярах покоящихся мышц, где давление О 2 составляет около 40 мм рт. Кривые диссоциации кислорода четвертичная структура белка связи миоглобина и гемоглобина в зависимости от парциального давления кислорода. При физической работе давление О 2 в капиллярах мышц падает до 10-20 мм рт. Именно в этой области от 10 до 40 мм рт. Следовательно, благодаря уникальной структуре каждый из рассмотренных белков приспособлен выполнять свою функцию: миоглобин - присоединять О 2, высвобождаемый четвертичная структура белка связи, накапливать в клетке и отдавать в случае крайней необходимости; гемоглобин - присоединять О 2 в лёгких, где его насыщение доходит до 100%, и отдавать О 2 в капиллярах тканей в зависимости от изменения в них давления О 2. Перенос Н + и СО 2 из тканей в лёгкие с помощью гемоглобина. Эффект Бора Окисление органических веществ с целью получения энергии происходит в митохондриях клеток с использованием О 2, доставляемого гемоглобином из лёгких. В результате окисления веществ образуются конечные продукты распада - СО 2 и Н 2О, количество которых пропорционально интенсивности процессов окисления. СО 2, образовавшийся в тканях, транспортируется в эритроциты. Четвертичная структура белка связи под действием фермента карбангидразы происходит увеличение скорости образования Н 2СО 3. Слабая угольная кислота четвертичная структура белка связи диссоциировать на Н + и НСО 3 - Равновесие реакции в эритроцитах, находящихся в капиллярах тканей, смещается вправо, так как образующиеся в результате диссоциации угольной кислоты протоны могут присоединяться к специфическим участкам молекулы гемоглобина: к радикалам Гис 146 двух β-цепей, радикалам Гис 122 и концевым α-аминогруппам двух α-цепей. Все эти 6 участков при переходе гемоглобина от окси- к дезоксиформе приобретают большее сродство к Н + в результате локального изменения аминокислотного окружения вокруг этих участков приближения к четвертичная структура белка связи отрицательно заряженных карбоксильных групп аминокислот. Присоединение 3 пар протонов к гемоглобину уменьшает его сродство к О 2 и усиливает транспорт О 2 в ткани, нуждающиеся в нём рис. Увеличение освобождения О 2 гемоглобином в зависимости от концентрации Н + называют эффектом Бора по имени датского физиолога Христиана Бора, впервые открывшего этот эффект. В капиллярах лёгких высокое парциальное давление О 2 приводит к оксигенированию гемоглобина и четвертичная структура белка связи 6 протонов. Следовательно, молекула гемоглобина в ходе эволюции приобрела способность воспринимать и реагировать на информацию, получаемую из окружающей среды. Увеличение концентрации протонов в среде снижает сродство О 2 к гемоглобину и усиливает его транспорт в ткани рис. Большая часть СО 2 транспортируется кровью в виде бикарбоната НСО 3. Небольшое количество СО 2 около 15-20% может переноситься в лёгкие, обратимо присоединяясь к неионизиро-ванным концевым α-аминогруппам. Присоединение СО 2 к гемоглобину также снижает его сродство к О 2. Перенос H + и СО четвертичная структура белка связи с кровью. А - влияние концентрации СО 2 и Н + на высвобождение О 2 из комплекса с гемоглобином в тканях эффект Бора ; Б - оксигенирование дезоксигемоглобина в лёгких, четвертичная структура белка связи и выделение СО 2. В нормальных условиях 2,3-бифосфоглицера присутствует в эритроцитах примерно в той ж концентрации, что и гемоглобин. БФГ, присо-единяясь к гемоглобину, также может менят его сродство к О 2. В центре тетрамерной молекулы гемоглобин есть полость, образованная аминокислотными остатками всех четырёх протомеров. Централь-ная полость - место присоединения БФГ. Размеры центральной полости могут меняться отщепление О 2 от оксигемоглобина вызывае его конформационные изменения, четвертичная структура белка связи способствуют образованию дополнительны ионных связей между димерами α 1β 1 и α 2β 2 В результате пространственная структура дезокси гемоглобина становится более жёсткой, напряжён ной, а центральная полость расширяется. Поверхность полости ограничена остатками аминокислот, в числе которых имеются положительно заряженные радикалы Лиз 82, Гис 143 β-цепей и положительно заряженные α-аминогруппы N-концевого валина β-цепей. В расширенную полость дезоксигемоглобина БФГ, имеющий сильный отрицательный заряд, присоединяется с помощью ионных связей, образующихся с положительно заряженными функциональными группами двух β-цепей гемоглобина. Присоединение БФГ ещё сильнее стабилизирует жёсткую структуру дез-оксигемоглобина и снижает сродство белка к О 2 рис. Присоединение БФГ к дезоксигемоглобину происходит в участке, ином по четвертичная структура белка связи с гемом, где происходит связывание О 2. Такой лиганд называется «аллостерический», а центр, где связывается аллостерический лиганд, - «аллостерический центр» от греч. «аллос» - другой, иной, «стерос» - пространственный. В лёгких высокое парциальное давление О 2 приводит к оксигенированию гемоглобина. Разрыв ионных связей между димерами α 1β 1 и α 2β 2 приводит к «расслаблению» белковой молекулы, уменьшению центральной полости четвертичная структура белка связи вытеснению БФГ. Концентрация БФГ в эритроцитах людей, живущих в определённых климатических условиях, - величи- на постоянная. Однако в период адаптации к высокогорью, когда человек поднимается на высоту более 4000 м над уровнем моря, концентрация БФГ уже через 2 дня возрастает почти в 2 раза от 4,5 до 7,0 мМ. Это снижает сродство гемоглобина к О 2 и увеличивает количество О 2, транспортируемого в ткани рис. Такую же адаптацию наблюдают у больных с заболеваниями лёгких, при четвертичная структура белка связи развивается общая гипоксия тканей. Так, у больных с тяжёлой обструктивной эмфиземой лёгких парциальное давление в них снижается от 100 до 50 мм рт. Но при этом в эритроцитах усиливается выработка БФГ, и его концентрация повышается с четвертичная структура белка связи до 7,0 мМ, что существенно увеличивает доставку О 2 в ткани. Клиническое значение концентрации БФГ в консервированной крови В крови, консервированной в некоторых средах, например цитрат-декстрозной, за 10 дней концентрация БФГ снижается с 4,5 до 0,5 мМ. Гемоглобин такой крови имеет очень высокое сродство к О 2. Если кровь со сниженной концентрацией Четвертичная структура белка связи переливать тяжелобольным, возникает опасность развития гипоксии тканей. Введённые с кровью эритроциты за четвертичная структура белка связи ч могут восстановить лишь половину нормальной концентрации БФГ. Добавлением в кровь БФГ нельзя восстановить нормальную концентрацию его в эритроцитах, так как, имея высокий отрицательный заряд, БФГ не может проникать через мембраны эритроцитов. Поэтому в настоящее время в кровь добавляют вещества, способные проникать через мембрану эритроцитов и поддерживать в них нормальную концентрацию БФГ. Регуляторные свойства олигомерного белка гемоглобина Таким образом, олигомерный белок гемоглобин, в отличие от мономерного родственного белка миоглобина, способен присоединять к специфическим участкам 4 различных лиганда: О 2, Н +, СО 2 и БФГ. Все эти лиганды присоединяются к пространственно разобщённым участкам, но конформационные изменения белка в месте присоединения одного лиганда передаются на весь олигомерный белок изменяют сродство к нему других лигандов. Так, количество поступающего в ткани О 2 зависит не только от парциального давления О 2, но и концентрации аллостерических лигандов, что увеличивает возможность регуляции функций гемоглобина. Как мы уже рассматривали выше, в капиллярах работающей мышцы увеличение концентрации СО 2 и Н + уменьшает сродство гемоглобина к О 2 и увеличивает отдачу его в ткани. При длительной гипоксии усиливается синтез 2,3-БФГ в эритроцитах, что также снижает сродство гемоглобина к О 2 и при том же парциальном давлении О 2 увеличивает его транспорт в ткани. Следовательно, благодаря воздействию ре-гуляторных лигандов олигомерные белки способны приспосабливать свою конформацию и функцию к изменениям, происходящим в окружающей среде. Особенности строения и функционирования гемоглобина плода Фетальный гемоглобин HbF заменяет эмбриональный гемоглобин, начиная синтезироваться в печени через 2 нед после её формирования у плода. С 6 мес развития плода до его рождения это основной гемоглобин эритроцитов. После рождения ребёнка он интенсивно начинает замещаться на гемоглобин В физиологических условиях HbF имеет более высокое сродство к О 2, чем НЬА, что создаёт оптимальные условия для транспорта О 2 из крови матери в кровь плода. Это свойство HbF обусловлено тем, что он слабее, чем НЬА связывается с 2,3-БФГ. Физиологические особенности HbF связаны с особенностями его строения: вместо β-глобиновых цепей в НЬА, он содержит две γ-цепи β-подобные. Связывание 2,3-БФГ с НЬА происходит при участии положительно заряженных радикалов аминокислот двух β-цепей, некоторые из которых отсутствуют в первичной структуре γ-цепей. В среде, лишённой 2,3-БФГ, НЬА и HbF проявляют одинаковое высокое сродство к О 2. В настоящее время известно около 300 вариантов НЬА, имеющих в первичной структуре α- или β-цепей лишь небольшие изменения. Некоторые из них почти не влияют на функцию белка и здоровье человека, другие снижают функцию белка и особенно в экстремальных ситуациях снижают возможность адаптации человека, третьи - вызывают значительные нарушения функций НЬА и развитие анемии, что приводит к тяжёлым клиническим последствиям. Замена аминокислоты на поверхности гемоглобина А Ещё в 1904 г. Заболевание получило название «серповидно-клеточной анемии», и только в 1949 г. Лайнус Полинг и его сотрудники доказали, что оно вызвано изменением первичной структуры НЬА. В молекуле гемоглобина S так назван аномальный гемоглобин мутантными оказались 2 β-цепи, в которых глутамат, высокополярная четвертичная структура белка связи заряженная аминокислота в положении 6 была заменена валином, содержащим гидрофобный радикал. В дезоксигемоглобине S имеется участок, комплементарный другому участку таких же молекул, содержащему изменённую аминокислоту. В результате молекулы дезоксигемоглобина начинают «слипаться», образуя удлинённые фибриллярные агрегаты, деформирующие эритроцит и приводящие к образованию аномальных эритроцитов в виде серпа рис. В оксигемоглобине S комплементарный участок четвертичная структура белка связи в результате изменения конформации белка. Недоступность участка препятствует соединению молекул оксигемог- лобина S друг с другом. Следовательно, образованию агрегатов HbS способствуют условия, повышающие концентрацию дезоксигемогло-бина в клетках физическая работа, гипоксия, уменьшение рН, условия высокогорья, полёт на четвертичная структура белка связи. Так как «серповидные» эритроциты плохо проходят через капилляры тканей, они часто закупоривают сосуды и создают четвертичная структура белка связи самым локальную гипоксию. Это повышает концентрацию дезоксигемоглобина S в эритроцитах, скорость образования агрегатов гемоглобина S и ещё большую четвертичная структура белка связи эритроцитов. Нарушение четвертичная структура белка связи О 2 в ткани вызывает боли и даже некроз клеток в данной области. Серповидно-клеточная анемия - гомозиготное рецессивное заболевание; проявляется только в том случае, когда от обоих родителей наследуются 2 мутанnных гена β-цепей глобина. После рождения ребёнка болезнь не проявляется до тех пор, пока значительные количества HbF не заместятся на HbS. У больных выявляют клинические симптомы, характерные для анемии: головокружение и головные боли, одышка, учащённое сердцебиение, боли в конечностях, повышенную восприимчивость к инфекционным заболеваниям. Гетерозиготные индивидуумы, имеющие один нормальный ген НЬА, а другой ген HbS, в крови имеют лишь следовые количества серповидных клеток и нормальную продолжительность жизни; клинические симптомы болезни у них обычно не проявляются. Для диагностики наличия HbS в эритроцитах человека используют метод электрофореза, основанного на движении заряженных белков в электрическом поле. Так как в Четвертичная структура белка связи отрицательно заряженные группы глутамата в β-цепях заменены незаряженным валином, HbS в щелочной среде будет двигаться медленнее, чем НЬА. Высокая частота гена Четвертичная структура белка связи среди жителей Африки до 40% населения в некоторых районах обусловлена тем, что гетерозиготы менее чувствительны к малярии, чем люди с нормальным гемоглобином Plasmodium falciparum - возбудитель малярии, облигатную часть своего жизненного цикла он проводит в эритроцитах. Так как эритроциты гетерозиготных по HbS людей имеют более короткий срок жизни, чем нормальные эритроциты, возбудитель малярии не успевает закончить необходимую стадию развития. Это создаёт избирательное преимущество для гетерозиготных по HbS людей в тех областях, где малярия вызывает гибель многих людей. Серповидно-клеточная анемия - первый описанный пример молекулярной болезни. Почти все встречающиеся замены аминокислот на поверхности молекулы гемоглобина безвредны. Гемоглобин S - редкое исключение. Изменения аминокислотного состава в области активного центра гемоглобина Между гемом и белковой частью гемоглобина существует около 60 межатомных контактов. Большинство мутаций, нарушающих в той или иной мере эти контакты, приводят к развитию гемоглобинопатии и анемии. Гемоглобин М - вариант гемоглобина А, где в результате мутации в гене α- или β-цепи происходит замена Гис Е 7 или Гис F 8 тирозином. В результате Fe 2+ окисляется в Fe 3+ и стабилизируется в этой форме. Гемоглобин, содержащий в геме Fe 3+, называют метгемог-лобином отсюда и название - гемоглобин Вместо О 2 к Fe 3+ присоединяется Н 2О. Обычно изменения затрагивают либо α- либо β-цепи, в результате гемоглобин может переносить не более двух молекул О 2. У гетерозиготных людей отмечают цианоз, связанный с нарушением транспорта О 2, а гомозиготность по этому гену приводит к летальному исходу. Гемоглобин Хаммерсмита - вариант гемоглобина А, где в положении D 1 вместо фенил-аланина гидрофобной аминокислоты находится серин гидрофильная аминокислота. Фен D 1 входит в неполярное окружение гема. Замена его на гидрофильную аминокислоту приводит к нарушению прочности связывания гема с глобином; в «гидрофобный карман», где размещается гем, способна проникать вода, окисляющая Fe 2+ до Fe 3+, в результате чего развивается четвертичная структура белка связи. Изменения аминокислотного состава, деформирующие третичную структуру гемоглобина Во всех нормальных гемоглобинах и в миог-лобине в месте пересечения двух α-спиралей В и Е находится аминокислота глицин. Так как глицин вместо радикала содержит атом водоро- да, в этом месте две спирали плотно прилегают друг к другу. В гемоглобине Ривердейла-Бронкса вариант гемоглобина А вместо четвертичная структура белка связи в четвертичная структура белка связи В 6 находится аминокислота аргинин, имеющая объёмный радикал. В результате он не умещается в столь узком пространстве, молекула меняет конформацию и становится нестабильной. Замены аминокислот в области контактов ди-меров α 1β 1, α 2,β 2, нарушающие аллостерические регуляторные функции гемоглобина Четвертичная структура белка связи все варианты гемоглобина А, где происходит замена аминокислот в области контакта димеров α четвертичная структура белка связи 1, α 2,β 2, проявляют пониженную кооперативность четвертичная структура белка связи нарушенное сродство гемоглобина к О 2. Так, гемоглобин Кемпси - вариант гемоглобина А, где в положении G 1 β-цепи аспараги-новая кислота заменена на аспарагин. В норме аспарагиновая кислота участвует в образовании водородной связи, стабилизирующей дезокси-гемоглобин. В результате замены эта связь не образуется, что нарушает стабильность конфор-мации дезоксигемоглобина, и сродство гемоглобина к О 2 повышается. У больных развивается анемия с выраженным цианозом. Таким образом, первичная структура белка определяет особенности его конформации, строения активного центра и функций. Изменение одной аминокислоты только в одном белке может быть причиной нарушений функций данного белка и развития наследственной патологии. МНОГООБРАЗИЕ БЕЛКОВ В организме человека содержится свыше 50 000 индивидуальных белков, отличающихся первичной структурой, конформацией, строением активного центра и функциями. Белки построены из 20 химически различных аминокислот, каждая из которых может занимать любое положение в полипептидной цепи. Кроме того, белки различаются количеством аминокислот, из которых они построены. Однако большинство таких белков в среде должны принимать множество конформаций с приблизительно одинаковой энергией, но разными химическими свойствами и функциями. Поэтому в эволюции, по-видимому, была четвертичная структура белка связи лишь небольшая часть возможных вариантов белков, которые способны принимать единственную стабильную конформацию. Таким образом, первичная структура известных четвертичная структура белка связи, отобранных эволюцией, четвертичная структура белка связи исключительную стабильность одной из возможных конформаций, которая и определяет особенности функционирования данного белка. Возникновение новых белков часто связано с незначительными изменениями в структуре уже имеющихся белков. Кроме того, благодаря генетическим механизмам, о которых будет сказано в разделе 4, четвертичная структура белка связи с полезными свойствами или основная структурная часть этого белка могут входить в состав других белков. Четвертичная структура белка связи белки, имеющие схожую последовательность аминокислот и родственные функции, объединяют в семейства родственных белков. КЛАССИФИКАЦИИ БЕЛКОВ До настоящего времен нет единой и стройной классификации, учитывающей различные параметры белков. В основе имеющихся классификаций обычно лежит один признак. КЛАССИФИКАЦИЯ БЕЛКОВ ПО ФОРМЕ МОЛЕКУЛ Это одна из самых старых классификаций, которая делит белки на 2 группы: глобулярные и фибриллярные. К глобулярным относят белки, соотношение продольной и поперечной осей которых не превышает 1:10, а чаще составляет 1:3 или четвертичная структура белка связи, т. Большинство индивидуальных белков человека относят к глобулярным белкам. Они имеют компактную структуру и многие из них, за счёт удаления гидрофобных радикалов внутрь молекулы, хорошо растворимы в воде. Наглядные примеры строения и функционирования глобулярных белков - рассмотренные выше миоглобин и гемоглобины. Фибриллярные белки имеют вытянутую, нитевидную структуру, в которой соотношение продольной и поперечной осей составляет более 1:10. К фибриллярным белкам относят коллагены, эластин, кератин, выполняющие в организме человека структурную функцию, а также миозин, участвующий в мышечном сокращении, и фибрин - белок свёртывающей системы крови. На примере коллагенов и эластина рассмотрим особенности строения этих белков и связь их строения с функцией. Строение и функции коллагенов Коллагены - семейство родственных фибриллярных белков, секретируемых клетками соединительной ткани. В межклеточном матриксе молекулы коллагена образуют полимеры, называемые фибриллами коллагена более подробно это описано в разделе 15. Фибриллы коллагена обладают огромной прочностью и практически нерастяжимы. Они могут выдерживать нагрузку, в 10 000 раз превышающую их собственный вес. По прочности коллагеновые фибриллы превосходят прочность стальной проволоки того же сечения. Именно поэтому большое количество коллагеновых четвертичная структура белка связи, состоящих из коллагено-вых фибрилл, входит в состав кожи, сухожилий, хрящей и костей. Необычные механические свойства коллагенов связаны с их первичной и пространственной структурами. Молекулы коллагена состоят из трёх полипептидных цепей, называемых α-цепями. Идентифицировано более 20 α-цепей, большинство которых имеет в своём составе 1000 аминокислотных остатков, но цепи несколько отличаются аминокислотной последовательностью. В состав коллагенов могут входить три одинаковые или разные цепи. В коллагене отсутствуют такие аминокислоты, как цистеин и триптофан, а гистидин, четвертичная структура белка связи и тирозин находятся лишь в очень небольшом количестве. В составе первичной структуры α-цепи коллагена содержатся также модифицированные аминокислоты - гид-роксилизин и гидроксипролин. Полипептидную цепь коллагена можно представить как последовательность триплетов Гли-Х-Y, где Х и Четвертичная структура белка связи могут быть любыми аминокислотами, но чаще в положении Х стоит пролин, а в положении Y - гидроксипролин или гидроксилизин. Каждая из этих аминокислот имеет большое значение четвертичная структура белка связи формирования коллагеновых фибрилл. Пролин благодаря своей структуре вызывает изгибы в полипептидной цепи, стабилизируя левозакрученную спиральную конформацию. На один виток спирали приходится 3 аминокислотных остатка, а не 3,6, как это характерно для вторичной структуры глобулярных белков. Спираль пептидной цепи коллагена стабилизирована не за счёт водородных связей так как пролин их не образуета силами стерического отталкивания пирролидиновых колец в остатках пролина. В результате расстояние между аминокислотными остатками по оси спирали увеличивается, и она оказывается более развёрнутой по сравнению с туго закрученной α-спиралью глобулярных белков. Спирализованные полипептидные цепи, перевиваясь друг около друга, образуют трёхце-почечную правозакрученную суперспиральную молекулу, часто называемую тропоколлагеном рис. Цепи удерживаются друг около друга за счёт водородных связей, возникающих между амино- и карбоксильными группами пептидного остова разных полипептидных цепей, входящих четвертичная структура белка связи состав трёхспиральной молекулы. «Жёсткие» аминокислоты - пролин и гидроксипролин - ограничивают вращение полипептидного стержня и увеличивают тем самым стабильность тройной спирали. Глицин, имеющий вместо радикала атом водорода, всегда находится в месте пересечения цепей; отсутствие радикала позволяет цепям плотно прилегать друг к другу. В результате такого скручивания пептидных остовов полипептидных цепей и наличия удлинённой структуры два других радикала из триады аминокислот Гли-Х-Y оказываются на наружной поверхности молекулы тропоколлагена. Между радикалами аминокислот возникают ионные, водородные и гидрофобные связи. Важную роль в формировании коллагеновых фибрилл играют модифицированные аминокислоты: гидроксипролин и гидроксилизин. Гидроксильные группы гидроксипролина соседних цепей тропоколлагена образуют водородные связи, укрепляющие структуру коллагеновых фибрилл. Радикалы лизина и гидроксилизина необходимы для образования прочных поперечных сшивок между молекулами тропоколлагена, ещё сильнее укрепляющие структуру коллаге-новых фибрилл. Кроме того, к гидроксильной группе гидроксилизина могут присоединяться углеводные остатки гликозилирование коллагенафункция которых пока неясна. Таким образом, аминокислотная последовательность полипептидных цепей коллагена позволяет сформировать четвертичная структура белка связи по своим механическим свойствам структуру, обладающую огромной прочностью. Изменение в первичной структуре коллагена может приводить к развитию наследственных болезней см. Строение и функция эластина В отличие от коллагена, образующего четвертичная структура белка связи фибриллы, способные выдержать большие нагрузки, эластин также белок межклеточного матрикса обладает резиноподобными свойствами. Нити эластина, содержащиеся в тканях лёгких, в стенках сосудов, в эластичных связках, могут быть растянуты в несколько раз по сравнению с их обычной длиной, но после снятия нагрузки они возвращаются к свёрнутой конформации. Эластин содержит в составе около 800 аминокислотных остатков, среди которых преобладают аминокислоты с неполярными радикалами, такие как глицин, валин, аланин. Эластин содержит довольно много пролина и лизина, но лишь немного гидроксипролина; полностью отсутствует гидроксилизин. Наличие большого количества гидрофобных радикалов препятствует созданию стабильной глобулы, в результате полипептидные цепи эластина не формируют регулярные вторичную и третичную структуры, а принимают в межклеточном матриксе разные конформации с примерно равной свободной энергией рис. Это как раз тот случай строения первичной структуры, когда отсутствие одной стабильной упорядоченной конформации приводит к возникновению необходимых белку свойств. Более подробно особенности строения и функционирования эластина рассмотрены в разделе 15. КЛАССИФИКАЦИЯ Четвертичная структура белка связи ПО ХИМИЧЕСКОМУ СТРОЕНИЮ 1. Простые белки Некоторые белки содержат в своём составе только полипептидные цепи, состоящие из аминокислотных остатков. Их называют «простые белки». Примером простых белков могут служить основные белки хроматина четвертичная структура белка связи гистоны; в их составе содержится много аминокислотных четвертичная структура белка связи лизина и аргинина, радикалы которых имеют положительный заряд более подробно гистоны описаны в разделе 4. Рассмотренный выше белок межклеточного матрикса эластин также относят к простым белкам. Сложные белки Однако очень многие белки, четвертичная структура белка связи полипептидных цепей, содержат в своём составе небелковую часть, присоединённую к белку слабыми или ковалентными связями. Небелковая часть может быть представлена ионами металлов, какими-либо органическими молекулами с низкой или высокой молекулярной массой. Такие белки называют «сложные белки». Прочно четвертичная структура белка связи с белком небелковая часть носит название про-стетической четвертичная структура белка связи. Простетическая группа может быть представлена веществами разной природы. Например, белки, соединённые с гемом, носят название гемопротеины. В состав гемопротеинов, кроме уже рассмотренных выше белков гемоглобинов и миоглобина, входят ферменты - цитохромы, каталаза и пероксидаза. Гем, присоединённый к разным белковым структурам, выполняет в них характерные для каждого из белков функции например, в составе гемоглобина переносит О 2, а в составе цитохромов - электроны. Белки, соединённые с остатком фосфорной кислоты, называют фосфопротеинами. Фосфорные остатки присоединяются сложноэфирной связью к гидроксильным группам серина, треонина или тирозина при участии ферментов, называемых четвертичная структура белка связи. В состав белков часто входят углеводные остатки, придающие белкам дополнительную специфичность и часто уменьшающие скорость их ферментативного протеолиза. Такие белки носят название гликопротеинов. Многие белки крови, а также рецепторные белки клеточной поверхности относят к гликопротеинам. Белки, функционирующие в комплексе с липидами, называют липопротеинами, а в комплексе с металлами - металлопротеинами. Сложный белок, состоящий из белковой части апопротеин и небелковой части простетическая группаназывают «холопротеин». КЛАССИФИКАЦИЯ БЕЛКОВ ПО ФУНКЦИЯМ Белки выполняют четвертичная структура белка связи клетках четвертичная структура белка связи биологических функций. По признаку сходства выполняемых белками функций их можно разделить на следующие большие группы. Ферменты Ферменты четвертичная структура белка связи специализированные белки, ускоряющие течение химических реакций. Благодаря ферментам в клетке скорости химических реакций возрастают в миллионы раз. Так как ферменты, как и любые белки, имеют активный центр, они специфически связывают определённый лиганд или группу похожих лигандов и катализируют определённый тип химического превращения данной молекулы. В настоящее время известно около 2000 различных ферментов, ускоряющих различные химические реакции. Например, протеолитический фермент трипсин разрушает в белках пептидные связи, образованные карбоксильной группой основных аминокислот - аргинина или лизина. Фермент четвертичная структура белка связи расщепляет фосфоэфирную связь между нуклео-тидами в полинуклеотидной цепи. Благодаря набору ферментов в клетках превращения поступающих в них веществ протекают не хаотично, а в строго определённых направлениях. Регуляторные белки К регуляторным белкам относят большую группу белковых гормонов, участвующих в поддержании постоянства внутренней среды организма, которые воздействуют на специфические клетки-мишени. Например, гормон инсулин выделяется в кровь при повышении концентрации глюкозы в крови после еды и, четвертичная структура белка связи использование глюкозы клетками, снижает концентрацию глюкозы до нормы, т. Кроме того, к регуляторным относят белки, присоединение которых к другим белкам или иным структурам клетки регулирует их функцию. Например, белок кальмодулин в комплексе с четырьмя ионами Са 2+ может присоединяться к некоторым ферментам, меняя их активность. Регуляторные ДНК-связывающие белки, присоединяясь в определённые моменты к специфичным участкам ДНК, могут регулировать скорость считывания генетической информации они описаны в разделе 4. Рецепторные белки Сигнальные молекулы четвертичная структура белка связи, нейромеди-аторы действуют на внутриклеточные процессы через взаимодействие со специфическими белками-рецепторами. Так, гормоны, циркулирующие в крови, находят клетки-мишени и воздействуют на них, специфично связываясь с белками-рецепторами, обычно встроенными в клеточную мембрану. Для гидрофобных регуля-торных молекул, проходящих через клеточную мембрану, рецепторы локализуются в цитоплазме клеток. Транспортные белки Многие белки крови участвуют в переносе специфических лигандов из одного органа к другому. Часто в комплексе с белками переносятся молекулы, плохо растворимые в воде. Так, белок плазмы крови альбумин переносит жирные кислоты и билирубин продукт распада гемаа гемоглобин эритроцитов участвует в переносе О 2 от лёгких к тканям. Стероидные гормоны переносятся в крови специфическими транспортными белками. Транспортные белки участвуют также в переносе гидрофильных веществ через гидрофобные мембраны. Так как транспортные белки обладают свойством специфичности взаимодействия с лигандами, их набор в клеточной мембране определяет, какие гидрофильные молекулы могут пройти в данную клетку. С помощью белков-переносчиков в клетку проникают глюкоза, аминокислоты, ионы и другие молекулы. Структурные белки Некоторые белки, расположенные определённым образом в тканях, придают им форму, создают опору, определяют механические свойства данной ткани. Например, как уже говорилось выше, главным компонентом хрящей и четвертичная структура белка связи является фибриллярный белок коллаген, имеющий высокую прочность. Другой структурный белок эластин благодаря своему четвертичная структура белка связи строению обеспечивает определённым тканям свойство растягиваться во всех направлениях сосуды, лёгкие. Защитные белки Некоторые белки, в частности иммуноглобулины, обладают способностью узнавать и связывать чужеродные молекулы, вирусные частицы и бактерии, в результате чего происходит их нейтрализация. Кроме того, комплекс чужеродной частицы с иммуноглобулином легко узнаётся и уничтожается клетками иммунной системы. Защитными свойствами обладают белки свёртывающей системы крови, например фибриноген, тромбин. Они участвуют в формировании тромба, который закупоривает повреждённый сосуд и препятствует потере крови. Сократительные белки Некоторые белки при выполнении своих функций наделяют клетку способностью либо сокращаться, либо передвигаться. Четвертичная структура белка связи таким белкам относят актин и миозин - фибриллярные белки, участвующие в сокращении скелетных мышц. Другой пример таких белков - тубулин, из которого построены клеточные органеллы - микротрубочки. Микротрубочки в период четвертичная структура белка связи ния клетки регулируют расхождение хроматид. Микротрубочки - важные элементы ресничек и жгутиков, с помощью которых клетки четвертичная структура белка связи. Однако существует большое количество белков, имеющих уникальные функции, которые не вошли в эту довольно простую классификацию. СЕМЕЙСТВА РОДСТВЕННЫХ БЕЛКОВ В ходе эволюции в пределах одного биологического вида четвертичная структура белка связи аминокислотных остатков могут приводить к возникновению разных белков, выполняющих родственные функции имеющих гомологичные последовательности аминокислот. Гомологичными называют последовательности, имеющие много сходных черт. Они содержат во многих положениях одни и те же аминокислоты, называемые инвариантными, а в некоторых положениях могут находиться разные, но близкие по физико-химическим свойствам аминокислотные остатки. Такие белки, имеющие гомологичные участки полипептидной цепи, сходную конформацию и родственные функции, выделяют в четвертичная структура белка связи белков. Пример семейства родственных белков - семейство миоглобина, куда включены, кроме самого миоглобина, и все виды гемоглобина. Семейство сериновых протеаз К семейству родственных белков относят сериновые протеазы. Это семейство ферментов, которые используют уникально активированный остаток серина, расположенный в активном центре, для связывания и каталитического гидролиза пептидных связей в белковых субстратах. Мишени для сериновых протеаз - специфические пептидные связи в белках часто в других сериновых протеазах. Для всех белков этого семейства характерно четвертичная структура белка связи в активном центре остатков Сер 195, Гис 57, Асп 102 эту нумерацию используют независимо от их точного расположения в первичной структуре определённых сериновых протеаз. Выявлена также высокая схожесть их пространственных структур, несмотря на то, что только в 40% положений они содержат идентичные аминокислоты рис. Каталитический четвертичная структура белка связи сериновых протеаз расположен в расщелине между двумя доменами. Некоторые аминокислотные замены привели к изменению субстратной специфичности этих белков и к возникновению функционального многообразия внутри этого семейства. Так, пищеварительные сериновые протеазы участвуют в переваривании гидролитическом расщеплении пептидных связей денатурированных пищевых белков. К ним относят трипсин, химотрипсин, эластазу, но каждый из этих ферментов предпочитает разрывать пептидные связи, образованные определёнными аминокислотами. Ещё большей субстратной специфичностью обладают сериновые протеазы, участвующие в тщательно контролируемых физиологических процессах, таких как активация каскада белков свёртывания крови, фибринолиза, активация белков системы комплемента, образования белковых гормонов. В процессе активации на-тивных белков сериновые протеазы гидролизуют одну или две особенные пептидные связи из сотен связей, имеющихся в белковом субстрате. Это связано с тем, что в нативном белке фермент узнаёт не только аминокислоты, непосредственно формирующие пептидную связь, но и некоторые аминокислотные остатки, окружающие связь, подвергающуюся ферментативному гидролизу. Более подробно о сериновых протеазах можно прочесть в разделах 9, 14. Суперсемейство иммуноглобулинов В работе иммунной системы огромную четвертичная структура белка связи играют белки, относящиеся к суперсемейству иммуноглобулинов. Это суперсемейство включает по четвертичная структура белка связи мере три больших семейства белков, участвующих в иммунной защите организма: семейство иммуноглобулинов, семейство Т-клеточных антигенраспознающих рецепторов и белки главного комплекса гистосовместимости I и II классов, которые в литературе обозначают МНС от англ. В это суперсемейство включено также семейство адгезивных белков, участвующих в узнавании определённых типов клеток их межклеточных взаимодействиях. Основной критерий включения белков в суперсемейство иммуноглобулинов - их доменная организация, достоверная гомология аминокислотных последовательностей и пространственных структур отдельных доменов. Кроме того, белки этого суперсемейства имеют схожие функции: иммуноглобулины взаимодействуют с чужеродными структурами, находящимися в крови, лимфе, межклеточной жидкости или секретах желёз, а рецепторы Т-лимфоцитов и белки главного комплекса гистосовместимости - с антигенами, находящимися на поверхности клеток данного организма. Семейство иммуноглобулинов Иммуноглобулины, или антитела, - специфические белки, вырабатываемые В-лимфоцитами в ответ на попадание в организм чужеродных структур, называемых антигенами. В организме человека четвертичная структура белка связи около 10 7 клонов В-лимфоцитов, каждый из которых специализирован на выработке одного из 10 7 четвертичная структура белка связи иммуноглобулинов. Все иммуноглобулины характеризуются общим планом строения, который мы рассмотрим на примере строения IgG. Молекула IgG состоит четвертичная структура белка связи четырёх полипептидных цепей: двух идентичных лёгких L четвертичная структура белка связи от англ. Все 4 цепи соединены друг с другом множеством нековалентных и четырьмя дисульфидны-ми связями. Четвертичная структура белка связи молекулу IgG относят к мономерам. Лёгкие цепи IgG состоят из 2 доменов: вариабельного V Lнаходящегося в N-концевой области полипептидной цепи, и константного C Lрасположенного на С-конце. Каждый из доменов состоит из 2 слоёв с β-складчатой структурой, где участки полипептидной цепи лежат антипараллельно. Тяжёлые цепи IgG имеют 4 домена: один вариабельный V Hнаходящийся на N-конце, и три константных С Н1, С Н2, С Н3. Домены тяжёлых цепей IgG имеют гомологичное строение с доменами лёгких цепей. Между двумя константными доменами тяжёлых цепей С Н1 и С Н2 есть участок, содержащий четвертичная структура белка связи количество остатков пролина, которые четвертичная структура белка связи формированию вторичной структуры и взаимодействию соседних Н-цепей четвертичная структура белка связи этом отрезке. Этот участок называют «шарнирной областью»; он придаёт молекуле гибкость. Между вариабельными доменами тяжёлых и лёгких цепей находятся два идентичных участка, связывающих два одинаковых специфических антигена; поэтому такие антитела часто называют «биваленты». В связывании антигена с антителом участвует не вся аминокислотная последовательность вариабельных доменов обеих цепей, а всего лишь 20-30 аминокислот, расположенных в гипервариабельных областях каждой цепи. Именно эти области определяют уникальные способности каждого клона антител четвертичная структура белка связи с соответствующим комплементарным антигеном. Основные функции антител - обнаружение и связывание чужеродных антигенов, находящихся в организме вне его клеток в крови, лимфе, межклеточной жидкости, в слизистых секретах. Это происходит с помощью специфических антигенсвязывающих участков разных клонов иммуноглобулинов. Кроме того, благодаря связыванию антигена с антителом облегчается процесс дальнейшего разрушения чужеродных веществ. Специфичность пути разрушения комплекса антиген-антитело зависит от класса антител. Существует 5 классов тяжёлых цепей иммуноглобулинов, отличающихся по строению константных доменов: α, δ, ε, γ и μ. В соответствии с ними различают 5 классов иммуноглобулинов: A, D, E, G и Особенности строения тяжёлых цепей придают их «шарнирным участкам» и С-концевым областям характерную для каждого класса кон-формацию. Связывание антигена с антителом изменяет конформацию константных доменов тяжёлых цепей, что определяет путь разрушения комплекса в организме связывание с белками системы комплемента или четвертичная структура белка связи комплекса фагоцитирующими клетками. Иммуноглобулины М - первый класс антител, синтезирующийся в развивающихся В-лимфо-цитах. Различают 2 формы иммуноглобулинов М: мономерная, мембранно-связанная форма и пентамерная, секретируемая В-лимфоцитами в кровь. Мембранно-связанная форма иммуноглобулинов Созревающие В-лимфоциты синтезируют мономерные бивалентные молекулы IgM, по структуре похожие на рассматриваемые выше IgG, которые встраиваются в плазматическую мембрану клеток играют роль первых анти-ген-распознающих рецепторов. Прикрепление IgM к мембране осуществляется с помощью гидрофобного участка, находящегося в С-кон-цевой «хвостовой» области тяжёлых цепей, содержащей 25 гидрофобных аминокислотных остатков. Взаимодействие антигена с рецептором на поверхности В-лимфоцита вызывает его размножение и образование целого клона лимфоцитов, происходящих из одной, стимулированной антигеном клетки. Этот клон В-лимфоцитов будет вырабатывать иммуноглобулины с одинаковыми антигенсвязывающими участками. Однако В-лимфоциты способны переключаться на выработку других классов антител. Секреторная форма иммуноглобулинов Когда В-лимфоциты впервые встречаются в жидкостях организма с неизвестным четвертичная структура белка связи антигеном, они синтезируют и секретируют в кровь IgM, которые содержат пять мономерных субъединиц, связанных друг с другом дисульфидными связями и дополнительной полипептидной J-цепью рис. В тяжёлых цепях их мономеров отсутствует гидрофобная «хвостовая» часть. Пентамерная молекула содержит 10 участков связывания с антигеном, что облегчает вероятность прикрепления неизвестного ранее антигена к иммуноглобулину рис. Взаимодействие антигена с IgM изменяет его конформацию индуцирует связывание его «хвостовой» области с первым компонентом системы комплемента. Если антиген расположен на поверхности микроорганизма, активирование системы комплемента вызывает нарушение целостности клеточной мембраны и гибель бактериальной клетки. В количественном отношении IgG доминируют в крови и составляют четвертичная структура белка связи 75% от общего количества этих белков. Строение IgG подробно описано выше. В крови IgG обнаруживают только в мономерной форме; он секретируется активированными В-лимфоцитами в больших количествах при вторичном иммунном ответе, когда антиген повторно попадает в организм. У человека обнаружено 4 подкласса IgG: IgG1, IgG2, IgG3, IgG4. Порядковый номер указывает на количественное содержание каждого подкласса в четвертичная структура белка связи в наибольшем количестве содержится IgG1, а в наименьшем - IgG2. Степень гомологии между этими подклассами очень высока около 90-95%. IgG не только эффективно связывают инакти-вируют чужеродные молекулы и клетки, попавшие в организм, но также облегчают их дальнейшее уничтожение. Конформационные изменения в «хвостовой» области IgG после его взаимодействия с антигеном приводят к связыванию и активации белков системы комплемента. Кроме того, С-кон-цевая область IgG способна взаимодействовать со специфическими рецепторами макрофагов и нейтрофилов, что приводит к фагоцитозу комплексов антиген-антитело и разрушению их в фагосомах рис. IgG - единственный класс антител, способный проникать через плацентарный барьер и обеспечивать внутриутробную защиту плода от инфекций. Основной класс антител, присутствующий в секретах желёз организма слюны, молока, пищеварительного сока, секретов дыхательных путей. В сыворотке крови его содержание не превышает 10-15% от общего количества иммуноглобулинов. Мономерная четвертичная структура белка связи по строению напоминает IgG. Однако в секретах IgA находится в основном в форме ди-мера, где четвертичная структура белка связи соединены дополнительной пептидной цепью J рис. На базальной поверхности эпителиальных клеток димер IgA специфически взаимодействует с белками клеточной поверхности, называемыми секреторным компонентом. Образующийся комплекс посредством эндоцитоза поглощается внутрь клетки и перемещается к апикальной части. Здесь четвертичная структура белка связи подвергается действию про-теолитических ферментов, и свободный димер высвобождается во внеклеточное пространство рис. Образующийся при взаимодействии IgA с антигеном комплекс не взаимодействует с белками системы комплемента и фагоцитирующими клетками, но препятствует прикреплению антигенов к поверхности эпителиальных клеток и проникновению их в организм. Содержание этого класса иммуноглобулинов в крови крайне мало. IgE - мономеры, но, в отличие от IgG, их тяжёлые цепи e содержат не 3, а 4 константных домена. После синтеза и секреции в кровь В-лимфо-цитами IgE связываются своими С-концевыми участками с соответствующими рецепторами на поверхности тучных клеток и базофилов. В результате они становятся рецепторами антигенов на поверхности данных клеток рис. После присоединения антигена хотя бы к двум антигенсвязывающим участкам двух соседних IgE клетка получает сигнал к секреции биологически активных веществ серотонина, гистаминахранящихся в секреторных пузырьках. Выброс этих веществ в четвертичная структура белка связи мере ответственен за развитие воспалительной реакции, а также таких аллергических реакций, как бронхиальная астма, крапивница, сенная лихорадка. Увеличение количества IgB может предшествовать развитию аллергических реакций. IgD обнаружены в крови в очень малых количествах. Мономерные белки играют роль рецепторов В-лимфоцитов; других функций у IgD пока не выявлено. Семейство Т-клеточных четвертичная структура белка связи рецепторов Если антитела, вырабатываемые В-лимфоцита-ми, связывают антигены в жидкостях организма так называемый гуморальный иммунитетто Т-лимфоциты взаимодействуют с антигенами на поверхности заражённых вирусами изменённых в результате опухолевой трансформации собственных клеток организма клеточный иммунитет. Т-лимфоциты узнают антигены только в комплексе с молекулами МНС I или II класса, также присутствующими четвертичная структура белка связи клеточной поверхности. Рецепторы Т-лимфоцитов - гетеродимеры, т. Каждая цепь имеет два им-муноглобулиноподобных домена: вариабельный V и константньгй С рис. С-концевые участки каждой цепи встроены в плазматическую мембрану. Единственный антигенсвязывающий участок располагается между двумя вариабельными доменами Va и Vβ. Количество рецепторов Т-лимфоцитов с четвертичная структура белка связи антигенсвязывающими участками сопоставимо с разнообразием иммуноглобулинов. Семейство белков главного комплекса гистосов-местимости Белки главного комплекса гистосовмести-мости были открыты при изучении вопросов внутривидовой пересадки тканей, откуда и произошло их название. Их называют также белками МНС четвертичная структура белка связи. Существует два основных класса молекул МНС: I и II. Молекулы МНС класса I расположены на поверхности практически всех клеток организма человека, а белки МНС класса II только на определённых четвертичная структура белка связи иммунной системы, называемых антигенпредставляющими клетками. К ним, в первую очередь, относят макрофаги и В-лимфоциты, контактировавшие с четвертичная структура белка связи. Молекулы МНС класса I - гетеродимеры. Они имеют одну полипептидную α-цепь, связанную нековалентными связями с небольшим внеклеточным белком β 2-микроглобулином. Полипептидная α-цепь имеет три внеклеточных глобулярных домена α 1 α 2, α 3трансмембранный участок и карбоксильный конец, локализованный четвертичная структура белка связи цитоплазме рис. Домены α 1 и α 2 содержат вариабельные участки, способные связывать «развёрнутый» антиген чаще всего пептидный фрагмент чужеродного белкарасположенный на поверхности клеток. Молекулы МНС класса II - также гетеродимеры. Они состоят из двух полипептидных цепей - α и β, имеющих по одному консервативному иммуноглобулинподобному домену и по одному вариабельному домену на N-концевых участках. Связывание антигенов происходит в области вариабельных доменов а- и β-цепей рис. Чужеродные белки в клетке человека например, белки вирусных частицв лизосомах подвергаются ограниченному протеолизу, и небольшие фрагменты этих белков вместе с белками МНС класса I или II экспонируются на поверхности клеточной мембраны. Комплексы пептид-белок МНС узнаются рецепторами Т-лимфоцитов.