В основі кожного білка лежить поліпептидний ланцюг. Вона не просто витягнута в просторі, а організована в тривимірну структуру. Тому існує поняття про 4-х рівнях просторової організації білка, а саме - первинної, вторинної, третинної і четвертинної структурах білкових молекул.
Первинна структура білка - послідовність амінокислотних залишків, міцно (і протягом всього періоду існування білка) з'єднаних пептидними зв'язками. Існує період напіввиведення білкових молекул - для більшості білків близько 2-х тижнів. Якщо стався розрив хоча б однієї пептидного зв'язку, то утворюється вже інший білок.
Вторинна структура - це просторова організація стрижня поліпептидного ланцюга. Існують 3 найголовніших типу вторинної структури:
1) Альфа-спіраль - має певні характеристики: ширину, відстань між двома витками спіралі. Для білків характерна правозакрученная спіраль. У цій спіралі на 10 витків припадає 36 амінокислотних залишків. У всіх пептидів, покладених в таку спіраль, ця спіраль абсолютно однакова. Фіксується альфа-спіраль за допомогою водневих зв'язків між NH-групами одного витка спіралі і С = О групами сусіднього витка. Ці водневі зв'язку розташовані паралельно осі спіралі і багаторазово повторюються, тому міцно утримують спіралеподібну структуру. Більш того, утримують в кілька напруженому стані (як стислу пружину).
Бета-складчаста структура - або структура складчастого листа. Фіксується також водневими зв'язками між С = О і NH-групами. Фіксує дві ділянки поліпептидного ланцюга. Ці ланцюги можуть бути паралельні або антіпараллельни. Якщо такі зв'язки утворюються в межах одного пептиду, то вони завжди антіпараллельни, а якщо між різними полипептидами, то паралельні.
3) Нерегулярна структура - тип вторинної структури, в якому розташування різних ділянок поліпептидного ланцюга відносно один одного не має регулярного (постійного) характеру, тому нерегулярні структури можуть мати різну конформацію.
Це тривимірна архітектура поліпептидного ланцюга - особливе взаємне розташування в просторі спіралеподібних, складчастих і нерегулярних ділянок поліпептидного ланцюга. У різних білків третинної структури різна. У формуванні третинної структури беруть участь дисульфідні зв'язки і всі слабкі типи зв'язків.
Виділяють два загальних типу третинної структури:
1) У фібрилярних білках (наприклад, колаген, еластин) молекули яких мають витягнуту форму і зазвичай формують волокнисті структури тканин, третинна структура представлена або потрійний альфа-спіраллю (наприклад, в коллагене), або бета-складчастими структурами.
2) В глобулярних білках. молекули яких мають форму кулі або еліпса (латинська назва: GLOBULA - куля), зустрічається поєднання всіх трьох типів структур: завжди є нерегулярні ділянки, є бета-складчасті структури і альфа-спіралі.
Зазвичай в глобулярних білках гідрофобні ділянки молекули знаходяться в глибині молекули. З'єднуючись між собою, гідрофобні радикали утворюють гідрофобні кластери (центри). Формування гидрофобного кластера змушує молекулу відповідним чином згинатися в просторі. Зазвичай в молекулі глобулярного білка буває кілька гідрофобних кластерів в глибині молекули. Це є проявом подвійності властивостей білкової молекули: на поверхні молекули - гідрофільні угруповання, тому молекула в цілому - гідрофільна, а в глибині молекули - заховані гідрофобні радикали.
Зустрічається не у всіх білків, а тільки у тих, які складаються з двох або більше поліпептидних ланцюгів. Кожна така ланцюг називається субодиницею даної молекули (або протомеров). Тому білки, що володіють четвертинної структурою, називають олігомерними білками. До складу білкової молекули можуть входити однакові або різні субодиниці. Наприклад, молекула гемоглобіну «А» складається з двох субодиниць одного типу і двох субодиниць іншого типу, тобто є тетрамером. Фіксуються четвертинні структури білків усіма типами слабких зв'язків, а іноді ще й дисульфідними зв'язками.
КОНФІГУРАЦІЯ І конформації БІЛКОВОЇ МОЛЕКУЛИ
З усього сказаного можна зробити висновок, що просторова організація білків дуже складна. У хімії існує поняття - просторова конфігурація - жорстко закріплене ковалентними зв'язками просторове взаємне розташування частин молекули (наприклад: приналежність до L-ряду стереоізомерів до D-ряду).
Для білків також використовується поняття конформація білкової молекули - певне, але не застиглий, що не незмінне взаємне розташування частин молекули. Так як конформація білкової молекули формується за участю слабких типів зв'язків, то вона є рухомий (здатної до змін), і білок може змінювати свою структуру. Залежно від умов зовнішнього середовища молекула може існувати в різних конформаційних станах, які легко переходять один в одного. Енергетично вигідними для реальних умов є тільки одне або кілька конформаційних станів, між якими існує рівновага. Переходи з одного конформационного стану в інше забезпечують функціонування білкової молекули. Це оборотні конформаційні зміни (зустрічаються в організмі, наприклад, при проведенні нервового імпульсу, при перенесенні кисню гемоглобіном). При зміні конформації частина слабких зв'язків руйнується, і утворюються нові зв'язки слабкого типу.
Взаємодія білка з яким-небудь речовиною іноді призводить до зв'язування молекули цієї речовини молекулою білка. Цей явище відоме як «сорбція» (зв'язування). Зворотний же процес - звільнення іншої молекули від білкової називається «десорбція».
Якщо для будь-якої пари молекул процес сорбції переважає над десорбцией, то це вже специфічна сорбція, а речовина, яке сорбируется, називається «ліганд».
1) Ліганд білка-ферменту - субстрат.
2) Ліганд траспортного білка - транспортується речовина.
3) Ліганд антитіла (імуноглобуліну) - антиген.
4) Ліганд рецептора гормону або нейромедіатора - гормон або нейромедіатор.
Білок може змінювати свою конформацію не тільки при взаємодії з лігандом, а й в результаті будь-якого хімічної взаємодії. Прикладом такої взаємодії може служити приєднання залишку фосфорної кислоти.
У природних умовах білки мають кілька термодинамічно вигідних конформаційних станів. Це нативні стану (природні). Natura (лат.) - природа.
Нативних БІЛКОВОЇ МОЛЕКУЛИ
Нативних - це унікальний комплекс фізичних, фізико-хімічних, хімічних і біологічних властивостей білкової молекули, який належить їй, коли молекула білка знаходиться в природному, природному (нативном) стані.
Наприклад: білок кришталика ока - Кристаллин - володіє високою прозорістю тільки в нативному стані).
Для позначення процесу, при якому нативні властивості білка губляться, використовують термін денатурація.
Денатурація - це позбавлення білка його природних, нативних властивостей, що супроводжується руйнуванням четвертинної (якщо вона була), третинної, а іноді і вторинної структури білкової молекули, яке виникає при руйнуванні дисульфідних і слабких типів зв'язків, що беруть участь в утворенні цих структур. Первинна структура при цьому зберігається, тому що вона сформована міцними ковалентними зв'язками. Руйнування первинної структури може відбутися тільки в результаті гідролізу білкової молекули тривалим кип'ятінням в розчині кислоти або лугу.
Чинники, що викликають денатурація
Фактори, які викликають денатурацію білків, можна розділити на фізичні і хімічні.
1. Високі температури. Для різних білків характерна різна чутливість до теплового впливу. Частина білків піддається денатурації вже при 40-50 ° С. Такі білки називають термолабільними. Інші білки денатурують при набагато більш високих температурах, вони є термостабільними.
2. Ультрафіолетове опромінення
3. Рентгенівське і радіоактивне опромінення
5. Механічний вплив (наприклад, вібрація).
1. Концентровані кислоти і луги. Наприклад, трихлороцтової кислота (органічна), азотна кислота (неорганічна).
2. Солі важких металів (наприклад, CuSO4).
3. Органічні розчинники (етиловий спирт, ацетон)
4. Рослинні алкалоїди.
5. Сечовина в високих концентраціях
5. Інші речовини, здатні порушувати слабкі типи зв'язків в молекулах білків.
Вплив факторами денатурації застосовують для стерилізації обладнання та інструментів, а також як антисептики.
У пробірці (in vitro) найчастіше це - незворотний процес. Якщо ж денатурований білок помістити в умови, близькі до нативним, то він може ренатуріровать, але дуже повільно, і таке явище характерне не для всіх білків.
In vivo, в організмі, можлива швидка ренатурації. Це пов'язано з виробленням в живому організмі специфічних білків, які «дізнаються» структуру денатурованого білка, приєднуються до нього за допомогою слабких типів зв'язку і створюють оптимальні умови для ренатурації. Такі специфічні білки відомі як «білки теплового шоку» або «білки стресу».
Існує кілька сімейств цих білків, вони відрізняються за молекулярною масою.
Наприклад, відомий білок hsp 70 - heatshock protein масою 70 kDa.
Такі білки є у всіх клітинах організму. Вони виконують також функцію транспорту поліпептидних ланцюгів через біологічні мембрани і беруть участь у формуванні третинної і четвертинної структур білкових молекул. Перераховані функції білків стресу називаються шаперон. При різних видах стресу відбувається індукція синтезу таких білків: при перегріванні організму (40-44 ° С), при вірусних захворюваннях, отруєннях солями важких металів, етанолом та ін.
Молекула білка теплового шоку складається з двох компактних глобул, з'єднаних вільної ланцюгом:
Різні білки теплового шоку мають загальний план побудови. Всі вони містять контактні домени.
Різні білки з різними функціями можуть містити однакові домени. Наприклад, різні кальцій-зв'язуючі білки мають однаковий для всіх них домен, який відповідає за зв'язування Ca +2.
Роль доменної структури полягає в тому, що вона надає білку великі можливості для виконання своєї функції завдяки переміщенням одного домену по відношенню до іншого. Ділянки з'єднання двох доменів - найслабше в структурному відношенні місце в молекулі таких білків. Саме тут найчастіше відбувається гідроліз зв'язків, і білок руйнується.