Классификация белков

В зависимости от химического состава белки делятся на 3 группы:
1) простые (протеины);
2) пептиды;
3) сложные (протеиды).



1. Простые белки построены из аминокислот и при гидролизе распадаются только на аминокислоты.

Протамины и гистоны – содержат до 85% аргинина, поэтому имеют выраженные основные свойства.

Белок сальмин, полученный из молок семги; клупеин – из молок сельди, скорее относятся к пептидам, т.к. имеют Mr не более 5000 Да.

Протамины в основном являются белковой частью нуклеотидов (ДНК). Гистоны сосредоточены главным образом в ядре и представляют белковую часть РНК.

Проламины и глютелины – белки растительного происхождения: зеин получают из кукурузы, глютенин - из пшеницы. Содержат до 25% глу, 10-15% про.

Альбумины и глобулины – содержатся в сыворотке крови, молоке, яичном белке, мышцах и т.д. Это глобулярные белки, отличающиеся различной растворимостью (альбумины растворяются лучше), по Mr (альбумины имеют молекулярную массу, равную 69000 Да, глобулины - 150000Да).

2. Пептиды – это низкомолекулярные азотсодержащие соединения, состоящие из остатков аминокислот и имеющие молекулярную массу менее 5000 Да.

а) с гормональной активностью (АКТГ, окситоцин, вазопрессин и др.);
б) участвующие в процессах пищеварения (секретин, гастрин);
в) содержащиеся в α2-глобулярной фракции сыворотки крови (брадикинин, ангиотензин);
г) нейропептиды (рилизинг-факторы гормонов, например нейрофизины I и II гипоталамуса, способствуют выделению гормонов окситоцина и вазопрессина).

3. Сложные белки или протеиды – состоят из двух частей: белковой и небелковой. Небелковую часть называют простетической группой, а белковую часть, утратившую простетическую группу, называют апобелком.

Название сложных белков	Простетическая группа
1. Хромопротеиды в т.ч. гемопротеиды, флавопротеиды	окрашенный небелковый компонент гемовое железо производное изоаллоксазина ФАД, ФНН
2. Нуклеопротеиды	РНК, ДНК
3. Липопротеиды	липиды
4. Гликопротеиды	олигосахариды, простые сахара
5. Протеогликаны	полисахариды
6. Металлопротеиды	негемовое железо, другие атомы металлов

Подробно рассмотрим группу гемопротеидов – это Hb и его производное миоглобин (белок мышечной ткани), хлорофиллсодержащие белки и ферменты (цитохромы b, С, С₁, каталаза, пероксидаза). Все они в качестве простетических групп содержат Fe (или Mg)–порфирины, а отличаются белковой частью.



Структуру гема впервые раскрыл Ненцкий, а его синтез провел Фишер.
HbA₁ – основной представитель Hb крови взрослого человека;

Фетальный HbF – в крови новорожденного содержится до 80%, к концу 1-го года жизни он почти полностью заменяется на HbA₁.

HbA состоит из 4 ППЦ: 2α–субъединиц и 2β–субъединиц. Четыре субъединицы или протомера ППЦ гемоглобина связаны друг с другом гидрофобными взаимодействиями. Молекула гемоглобина диссоциирует на два димера - αβ и α₁β₁. Каждый протомер содержит гем, находящийся в гидрофобной «нише», защищающей его от окисления в ферри-форму. Mr ППЦ гемоглобина равна 64458 (64500) Да.



В основе простетической группы Нb лежит протопорфирин, у которогоимеются: в положении 1,3,5,8-СН3– метильный R; в положении 2,4 СН₁=СН– винильнный R; в положении 6,7 СООН–СН₂–СН₂ – остатки пропионовой кислоты. Железо, входящее в состав гемоглобина, имеет 2 ковалентные и 4 координационные связи; четыре связи образуют связи с атомами азота, пятая координационная связь присоединяет кислород к гему, шестая – связывает гем и ППЦ.

Структурная организация белков.

Одной из особенностей белков является их сложная структурная организация. Все белки обладают первичной, вторичной и третичной структурой, а те, которые в своем составе имеют две и больше ППЦ обладают и четвертичной структурой (ЧС).

Первичная структура белка (ПСБ) – это порядок чередования (последовательность) аминокислотных остатков в ППЦ.
Даже одинаковые по своей длине и аминокислотному составу белки могут быть разными веществами. Например, из двух аминокислот можно составить 2 разных дипептида:

При числе аминокислот, равном 20, число возможных комбинаций равно 2x10¹⁸. А если учесть, что в ППЦ каждая аминокислота может встретиться больше 1 раза, то число возможных вариантов трудно поддается подсчету.
Определение первичной структуры белка (ПСБ).
ПСБ белков можно определить с помощью фенилтиогидантоинового метода. Этот метод основан на реакции взаимодействия фенилизотиоцианата (ФИТЦ) с α-АК. В результате образуется комплекс этих двух соединений – ФИТЦ -АК. Например, рассмотрим пептид с целью определения его ПСБ, то есть последовательности соединения аминокислотных остатков.

ФИТЦ взаимодействует с концевой аминокислотой (а). Образуется комплекс ФТГ-а, его отделяют от смеси и определяют подлинность аминокислоты а. Например, это – асн и т.д. Последовательно отделяют и идентифицируют все остальные аминокислоты. Это трудоемкий процесс. Определение ПСБ белка среднего размера занимает несколько месяцев.
Приоритет в расшифровке ПСБ принадлежит Сенджеру (1953), который открыл ПСБ инсулина (Лауреат Нобелевской премии). Молекула инсулина состоит из 2х ППЦ – A и B.



А-цепь состоит из 21 аминокислоты, цепь В – из 30. Между собой ППЦ соединяются дисульфидными мостиками. Число белков, ПСБ которых определена, к настоящему времени достигает 1500. Даже небольшие изменения первичной структуры могут существенно изменить свойства белка. В эритроцитах здоровых людей содержится HbA – при замене в β-цепи HbA, в 6-м положении глу на вал возникает тяжелейшее заболевание серповидно-клеточная анемия, при которой дети, родившиеся с этой аномалией, погибают в раннем возрасте. С другой стороны, возможны варианты изменения ПСБ, которые не сказываются на его физико-химических и биологических свойствах. Например, HbC содержит в 6-м положении b-цепи вместо глу – лиз, HbС почти не отличается по своим свойствам от HbA, а люди, имеющие в эритроцитах такой Hb, практически здоровы.
Стабильность ПСБ обеспечивается в основном прочными ковалентными пептидными связями и, во вторую очередь, дисульфидными связями.

Вторичная структура белка (ВСБ).

ППЦ белков обладают большой гибкостью и приобретают определенную пространственную структуру или конформацию. В белках различают 2 уровня такой конформации – это ВСБ и третичная структура (ТСБ).
ВСБ – это конфигурация ППЦ, то есть способ ее укладки или скручивания в какую-нибудь конформацию, в соответствии с программой, заложенной в ПСБ.

Известны три основных типа ВСБ:
1) α-спираль;
2) β-структура (складчатый слой или складчатый листок);
3) беспорядочный клубок.

α-спираль.

Ее модель предложена В. Полингом. Она наиболее вероятна для глобулярных белков. Для любой системы наиболее устойчивым является состояние, соответствующее минимуму свободной энергии. Для пептидов такое состояние имеет место, когда CO– и NH– группы соединяются между собой слабой водородной связью. В a-спирали NH– группы 1-го аминокислотного остатка взаимодействует с CO–группой 4-ой по счету аминокислотой. В результате пептидный остов образует спираль, на каждый виток которой приходится 3,6 АК-остатка.

Закручивание ППЦ происходит по часовой стрелке, то есть у спирали – правый ход. Через каждые 5 витков (18 АК; 2,7 нм) конфигурация ППЦ повторяется.



Стабилизируется ВСБ в первую очередь водородными связями, и во вторую – пептидными и дисульфидными. Водородные связи в 10-100 раз слабее обычных химических связей; однако за счет их большого количества они обеспечивают определенную жесткость и компактность ВСБ. Боковые R-цепи α-спирали обращены к наружи и расположены по разные стороны от ее оси.

β-структура.

Это складчатые участки ППЦ, по форме напоминающие листок, сложенный в гармошку. Слои ППЦ могут быть параллельными, если обе цепи начинаются с N– или С–конца.
Если смежные цепи в слое ориентированы противоположными концами N–С и С–N, то они называются антипараллельными.



Образование водородных связей происходит, как и в α-спирали, между CO– и NH– группами.



Содержание α-спирали и β-структуры в разных белках неодинаково. Не вся ППЦ уложена в спирали или складчатые слои.

Беспорядочный клубок

Некоторые участки вообще не имеют какой-либо правильной периодической пространственной конфигурации. Их обозначают как беспорядочный клубок, однако такие участки имеют свою фиксированную конформацию, которая определяется аминокислотным составом этого участка, а также ВСБ и ТСБ смежных областей, окружающих беспорядочный клубок. В областях беспорядочного клубка ППЦ могут легко изгибаться и изменять свою конфигурацию, в то время как α-спирали и β-структуры представляют собой довольно жесткие структуры.

Встречаемость α-спирали и β-структуры в различных белках.

Третьичная структура белка (ТСБ).

По форме своих молекул и особенностям пространственной структуры белки делятся на две группы – глобулярные и фибриллярные белки.
Форма глобулярных белков близка к сферической или эллипсоидной, короткая и длинная ось которых может относиться как 1:50. Фибриллы белков более удлиненной формы. Такой белок может образовывать многомолекулярные нитевидные агрегаты – фибриллы. Фибриллярные белки выполняяют в основном опорную функцию. Функции глобулярных белков более разнообразны. ТС глобулярных белков образуется путем дополнительного скручивания ППЦ, содержащей α-спираль, β-структуру и беспорядочные клубки. ТСБ образуется, главным образом за счет взаимодействия R, основную роль при этом играют дисульфидные связи, слабые водородные, ионные связи и особенно гидрофобные.

Дисульфидные связи приводят к тому, что удаленные друг от друга области ППЦ сближаются и образуют фиксированные петли.

Гидрофобные взаимодействия осуществляются за счет сближения R аминокислот с молекулой воды. Неполярные гидрофобные R, отталкиваясь от водного окружения, как бы втягиваются внутрь белковой молекулы, образуя там так называемые «сухие зоны». А гидрофильные R обращены к наружи образующейся глобулы и ориентированы в сторону воды. Все образующиеся химические связи определены аминокислотным составом и их чередованием в ППЦ.

Таким образом, ТСБ – это компактное расположение или упаковка в пространстве одной или нескольких ППЦ в определенном объеме.

Все биологические свойства белковой молекулы связаны с сохранностью их ТС, которая называется нативной конфигурацией белка.

Глобулярная молекула (глобула) не является абсолютно жесткой структурой. Небольшие изменения конфигурации белковых молекул происходят как внутри самой молекулы (как бы пульсация), так и при взаимодействии с другими молекулами и напоминает изменение формы резинового мяча при надавливании.

Денатурация и ренативация белка

При разрыве большого числа связей, стабилизирующих белковую молекулу, уникальная для каждого белка конформация нарушается. Такое изменение называется денатурацией. Ее можно вызвать при нагревании белка до 60-80^oС и действии других агентов – детергентов, то есть щелочей, кислот, мочевины, спиртов и т.д. При денатурации растворимость белков ухудшается. Часто белок сворачивается. При денатурации утрачивается биологическая активность белков. В определенных условиях (медленное охлаждение денатурированного нагреванием белка, промывание раствора белка и вымывание из него детергентов) возможна ренативация (ренатурация), то есть восстановление исходной нативной конформации белка.

Четвертичная структура белка(ЧСБ).

Многие белки построены из 2 и более ППЦ, например гексокиназа содержит 2 ППЦ, HbA – 4 ППЦ, ферритин – 24.
Цепи соединяются между собой нековалентными связями. Например, основной белок эритроцитов Hb состоит из 4-х цепей: 2α и 2β. При сравнительно небольших изменениях окружающей среды Hb может диссоциировать на димеры, затем на мономеры (или протомеры).



Димеры и протомеры называются субъединицами. Протомеры – это наименьшие субъединицы. Белки, молекулы которых построены из нескольких ППЦ, называются олигомерами или олигобелками.

Количество протомеров, способ их соединения и пространственной укладки относительно друг друга называются ЧСБ.

Белки с Mr больше 50 тыс. Да почти всегда являются олигомерными. ЧСБ является такой специфической уникальной характеристикой данного белка, как и другие уровни структурной организации. При соединении друг с другом протомеры взаимодействуют не любой поверхностью, а определенным участком – контактной поверхностью. Если на одной ППЦ (субъединице) имеется выступ, то на другой в соответственном месте имеется углубление. При этом совпадают разноименно заряженные ионные группы, группы, образованные водородной связью, гидрофобные и гидрофильные участки. Такие участки называются комплементарными. Они подходят друг к другу как ключ к замку. Процесс самосборки олигомерных белков отличается высокой специфичностью. Например, если в растворе наряду с протомерами Hb есть и другие белки, они не образуют соединений с Hb. Чаще всего отдельные субъединицы не обладают биологической активностью, белки приобретают эту способность при соединении протомеров в олигомер.

Гемоглобинозы

Биологическая активность белков находится в прямой зависимости от сохранности ПСБ. При замене хотя бы одной аминокислоты могут возникнуть различные патологии. Например, при даже незначительных изменениях в ППЦ Hb возникают аномальные гемоглобинозы. Их около 200. Гемоглобинозы делятся на две основные группы:

1) гемоглобинопатии;
2) талассемии.

Гемоглобинопатии – в их основе наследственное изменение структуры какой-либо цепи Hb. Например, серповидно-клеточная анемия (в основном в странах Южной Америки, Африки, Юго-Восточной Азии). Эритроциты в условиях низкого парциального давления принимают форму серпа. HbS после отдачи О₂ (Полинг и авт.) превращается в плохо растворимую и выпадает в осадок в виде веретенообразных кристаллов, которые деформируют клетку и приводят к массивному гемолизу. Болезнь протекает остро и дети погибают в раннем возрасте. Причиной данной патологии является мутация в молекуле ДНК, кодирующей синтез β-цепи Hb, где происходит замена только 1-ой аминокислоты – глу на вал в 6-м положении. Ежегодно погибает около 1 млн. человек.

Талассемии – в основе – генетическое нарушение синтеза какой либо ППЦ Hb. При нарушении синтеза β-цепи возникают β-талассемии. Наряду с HbА₁ обр. до 15% HbА₂ и до 60% HbF – происходит гиперплазия и разрушение костного мозга, поражение печени, селезенки, деформация черепа, тяжелая гемолитическая анемия. Эритроциты приобретают форму мишени.