Белки (протеины) - это высокомолекулярные полимерные соединения пептидной природы (полигетероаминокислоты).

Первичная структура белков - это последовательность чередования аминокислотных остатков в полипептидной цепи (ППЦ) .

Первичная структура белков является ковалентной структурой, поскольку в её основе лежит пептидная связь между a-амино- и a-карбоксильными группами аминокислот. Вследствие этого полипептидные цепи имеют неразветвленный характер.

Скелет (хребет, остов) полипептидной цепи состоит из регулярно повторяющихся структурных элементов

Полипептидная цепь обладает векторностью, направление цепи от N-конца (начало цепи) к C-концу (конец цепи), N-конец - это конец, на котором находится свободная a-аминогруппа. C-конец - это конец, на котором находится свободная a-карбоксильная группа. Аминокислотная последовательность белков обозначается, начиная с N-конца, с использованием трехбуквенных сокращенных названий аминокислот, например: гли-ала-цис-про. Может быть использовано и однобуквенное обозначение аминокислотных остатков в белке.

N- и C-концы в составе белков могут быть модифицированы. Аминогруппа на N-конце может быть ацетилирована, формилирована или метилирована. В ряде белков N-концевым является остаток пирролидонкарбоната (пироглутамата), не содержащий свободной аминогруппы. C-конец может быть амидирован. Модификации C-конца более редки по сравнению с N-концевыми модификациями.

Коэффициент поликонденсации белков варьирует в диапазоне от 50 до 2500. Обычно белок содержит 100-300 аминокислотных остатков. Поскольку средняя молекулярная масса одного аминокислотного остатка составляет около 110 Да, молекулярная масса белков варьирует в диапазоне от 6000 до миллионов Да.

Каждый индивидуальный белок обладает уникальной первичной структурой. Первым белком, чья первичная структура была установлена, явился инсулин. Это удалось сделать Сэнгеру. Его стратегия заключалась в следующем. Сначала он разделил две полипептидные цепи и далее провел их специфическое ферментативное расщепление на небольшие пептиды, содержащие перекрывающиеся последовательности. Затем, используя 1-фтор-2,4-динитробензол идентифицировал N-концевые остатки. Кроме того, он определил аминокислотный состав пептидов и в итоге смог установить их структуру, сравнивая последовательности перекрывающихся пептидов. В общих чертах стратегия Сэнгера сохранила свое значение до наших дней. Однако были предложены и иные подходы. Эдманом разработан метод автоматической процедуры последовательного отщепления и идентификации N-концевых аминокислотных остатков. Для расшифровки первичной структуры можно использовать рентгеноструктурный анализ. Последовательность аминокислотных остатков может быть определена по нуклеотидной последовательности матричной РНК.

В настоящее время установлена первичная структура более 2000 белков. Теоретически число различных вариантов первичной структуры белков безгранично. Даже для полипептида из 20 различных аминокислот, число возможных последовательностей составляет 20´10 18 . В живой природе реализуется лишь незначительная доля возможных последовательностей, общее число которых у всех видов живых организмов оценивается величиной 10 10 -10 12. .

Первичная структура белков генетически детерминирована, т.е. последовательность аминокислот в белке определяется последовательностью нуклеотидов в ДНК . Искажения последовательности нуклеотидов ДНК приводят к возникновению аномальных белков с измененными биологическими свойствами, что является причиной молекулярной патологии. В частности, причиной серповидноклеточной анемии служит точечная мутация гена, контролирующего b-цепь гемоглобина. Следствием этого является замена в 6-ом положении b-цепи остатка глутамата на валин. Такая замена приводит к утрате одного отрицательного заряда в каждой из двух b-цепей, что приводит к изменению конформации гемоглобина и утрате его биологической функции.

Гомологичными белками называются белки, выполняющие у разных видов одинаковые функции. Примером может служить гемоглобин: у всех позвоночных он выполняет одну и ту же функцию, связанную с транспортом кислорода. Гомологичные белки характеризуются наличием во многих положениях одних и тех же аминокислот. Как оказалось, число аминокислотных остатков, по которым различаются гомологичные белки пропорционально филогенетическому различию между данными видами. Например, молекулы цитохромов С лошади и дрожжей различаются по 48 аминокислотным остаткам, тогда как те же молекулы курицы и утки – только по 2 остаткам. Что касается цитохромов С курицы и индейки, то они имеют идентичные аминокислотные последовательности. Сведения о числе различий в аминокислотных последовательностях гомологичных белков из разных видов используют для построения эволюционных карт, отражающих последовательные этапы возникновения и развития различных видов животных и растений в процессе эволюции.

Первичная структура белка представляет собой линейный цепь остатков а-аминокислот, расположенных в определенной последовательности в поли-пептидной цепи и соединены между собой пептидными связями.

Таким образом, под первичной структурой белка понимают количество, состав и порядок расположения аминокислотных остатков в по-липептидному цепи. Каждый белок имеет специфическую структуру, которая определяется генетической информацией. Основу первичной структуры составляют ковалентные пептидные связи. Количество разновидностей белковых молекул в природе огромна, их разнообразие связано с различным набором аминокислот, входящих в состав белка, и порядком их чередования в полипептидной цепи. Так, уже из четырех аминокислот можно построить 24 различных тетрапептиды, из пяти - 120 пентапептиды, из одиннадцати - 40 млн. изомеров, а из 20 различных аминокислот теоретически может образоваться астрономическая количество изомеров (2х1018), с учетом того, что каждая из этих аминокислот встречается только один раз. Количество изомеров еще более возрастает, если учесть, что в состав белка входит не по одной молекуле определенной аминокислоты, а больше. Кроме того, некоторые аминокислоты могут отсутствовать вовсе. Но в живой природе реализуется только малая часть возможных изомеров. Все белки различны по своей первичной структурой. Как уже было отмечено, потенциально возможное число таких структур практически неограничен. Считают, что общее количество различных типов белков у всех видов живых организмов составляет величину порядка 1010 -1012. В организме человека, по приблизительной оценке, существует около 100 тыс. различных белков.

Костяк белковой молекулы характеризуется абсолютной единообразием строения. При этом радикалы (R) аминокислотных остатков расположены снаружи, по обе стороны полипептидной цепи в транс-положении. Стандартные значения межатомных расстояний и валентных углов в нем представлены на рис. 2.

Вот, позвоночник или стержень всех полипептидных цепей построен однотипно и представляет собой чередование атома азота и двух атомов углерода, из которых к первому углероду присоединяется атом водорода и радикал соответствующей кислоты (R), а ко второму - оксогрупа (карбонильный остаток а-аминокислоты). Эта закономерность позволяет легко записывать первичную структуру полипептидной цепи белка, изменяя только радикалы остатков аминокислот. Итак, каждое звено такой цепи представлена остатком той или иной аминокислоты, и вся цепь находится в одной плоскости. Если в образовании пептидной связи участвует иминогрупа пролина, то полипептидная цепь приобретает несколько другой вид.

Полипептидная цепь на участке, где находится пролин, легко сгибается, что влияет на формирование пространственных структур.

Полипептидные цепи иногда модифицируются с концевыми группами. Это происходит, например, при ацетилирования (присоединении остатка уксусной кислоты) до а-КЫ2-группы в актин, миозин, цитохроме c, лактатдегидрогеназы и др.; формилюванни (пчелиный яд, Мели-тин), метилированию в рибосомных белках кишечной палочки. На С-конце полипептидной цепи в отдельных случаях может происходить амидирования с образованием амидной группы (некоторые гормоны, пчелиный яд). В настоящее время расшифрован аминокислотную последовательность примерно 2500 белков: гемоглобинов, иммуноглобулинов, цитохромов, белков рибосом, большого количества ферментов (пепсин, химотрипсин, лизоцим, альдолаза и др..).

Успешное изучение первичной структуры белков обусловило их химический синтез (например, инсулина, рибонуклеазы и др..).

Таким образом, первичная структура белка (полипептидная цепь) - это общая структурная формула белков. Однако строение белковой молекулы сложнее, что связано с ее пространственной организацией-конформационными формами. В каждом аминокислотному остатку есть а-углеродный атом, обуславливает присутствие двух одинаковых связей (N-Сп и Сп-С).

Поскольку природные L-аминокислоты, входящие в состав поли-пептидной цепи (кроме глицина) асимметричны, появляется возможность их обращения вокруг а-углеродного атома, что приводит к скручиванию пептидных цепей в цилиндрические спирали, содержащихся в определенном положении внутримолекулярными н "связками. Вследствие такого вращения возникают стерические структурные образования - конформации. Это свойство аминокислотных остатков в пептидных цепях играет большую роль в обеспечении лабильности белковых веществ, их высокой индивидуальности и служит важным фактором в формировании активных участков (центров) молекул, обеспечивающих биологические функции.

Объединение аминокислот через пептидные связи создает линейную полипептидную цепь, которая называется первичной структурой белка

Учитывая, что в синтезе белков принимает участие 20 аминокислот и средний белок содержит 500 аминокислотных остатков, то можно говорить о невообразимом количестве потенциально возможных белков. В организме человека обнаружено около 100 тысяч различных белков.

К примеру, 2 аминокислоты (аланин и серин) образуют 2 пептида Ала-Сер и Сер-Ала; 3 аминокислоты дадут уже 6 вариантов трипептида; 20 аминокислот – 1018 различных пептидов длиной всего 20 аминокислот (при условии, что каждая аминокислота используется только один раз).

Самый большой из известных в настоящее время белков - титин - является компонентом саркомеров миоцита, молекулярная масса его различных изоформ находится в интервале от 3000 до 3700 кДа. Титин камбаловидной мышцы человека состоит из 38138 аминокислот.

Первичная структура белков, т.е. последовательность аминокислот в нем, программируется последовательностью нуклеотидов в ДНК. Выпадение, вставка, замена нуклеотида в ДНК приводит к изменению аминокислотного состава и, следовательно, структуры синтезируемого белка.

Участок белковой цепи длиной в 6 аминокислот (Сер-Цис-Тир-Лей-Глу-Ала)
(пептидные связи выделены желтым фоном, аминокислоты - рамкой)

Если изменение последовательности аминокислот носит не летальный характер, а приспособительный или хотя бы нейтральный, то новый белок может передаться по наследству и остаться в популяции. В результате возникают новые белки с похожими функциями. Такое явление называется полиморфизм белков.

Например, при серповидноклеточной анемии в шестом положении β-цепи гемоглобина происходит замена глутаминовой кислоты на валин . Это приводит к синтезу гемоглобина S (HbS) – такого гемоглобина, который в дезоксиформе полимеризуется и образует кристаллы. В результате эритроциты деформируются, приобретают форму серпа (банана), теряют эластичность и при прохождении через капилляры разрушаются. Это в итоге приводит к снижению оксигенации тканей и их некрозу.

Для многих белков обнаруживается ярко выраженный консерватизм структуры. Например, гормон инсулин у человека отличается от бычьего только на три аминокислоты, от свиного – на одну аминокислоту (аланин вместо треонина).

Возникновение групп крови АВ0 связано с тремя вариантами фермента, осуществляющего присоединение к олигосахариду мембран эритроцитов либо N-ацетилгалактозы (группа А), либо галактозы (группа В), либо фермент не присоединяет дополнительные сахаридные группы (группа 0).

Последовательность и соотношение аминокислот в первичной структуре определяет формирование вторичной , третичной и четвертичной структур.

Строение белка может быть представлено одним из четырех вариантов. Каждый вариант обладает собственными особенностями. Так, существует четвертичная, троичная, вторичная и первичная

Последний в этом списке уровень представляет собой линейную полипептидную цепь из аминокислот. Аминокислоты соединяются друг с другом пептидными связями. Первичная является простейшим уровнем организации молекулы. Посредством ковалентных пептидных связей между альфа-аминогруппой в одной аминокислоте и альфа-карбоксильной группой в другой обеспечивается высокая стабильность молекулы.

При формировании в клетках пептидных связей активируется сначала карбоксильная группа. После происходит соединение с аминогруппой. Приблизительно так же осуществляется полипептидный лабораторный синтез.

Пептидная связь, представляющая собой повторяющийся фрагмент полипептидной цепи, обладает рядом особенностей. Под воздействием этих особенностей не только формируется первичная структура белка. Они влияют и на высшие организационные уровни полипептидной цепи. Среди основных отличительных черт выделяют копланарность (способность всех атомов, которые входят в пептидную группу, находиться в одной плоскости), трансположение заместителей относительно С-N-связи, свойство существовать в 2-х резонансных формах. К особенностям пептидной связи относят также способность к формированию водородных связей. При этом от каждой пептидной группы может образовываться по две водородные связи с прочими группами (пептидными в том числе). Однако существуют исключения. К ним относят пептидные группы с аминогруппами гидроксипролина или пролина. Они могут формировать только лишь одну Это оказывает воздействие на образование вторичной белковой структуры. Так, на участке, где располагается гидроксипролин или пролин, пептидная цепь легко изгибается, в связи с тем, что нет второй водородной связи, которая удерживала бы ее (как обычно).

Название пептидов формируется из названий аминокислот, входящих в них. Дипептид дают две аминокислоты, трипептид - три, тетрапептид - четыре и так далее. В каждой полипептидной цепи (или пептиде) любой длины присутствует N-концевая аминокислота, в которой содержится свободная аминогруппа, и С-концевая аминокислота, в которой присутствует свободная карбоксильная группа.

Свойства белков.

При изучении этих соединений ученых интересовало несколько вопросов. Исследователи, прежде всего, стремились выяснить размеры, определить форму и массу молекул белков. Следует отметить, что это были достаточно сложные задачи. Трудность состояла в том, что определение по увеличению растворов белков (как это осуществляется у прочих веществ) невозможно, ввиду того, что белковые растворы кипятить нельзя. А определение показателя в соответствии с понижением температуры замерзания результаты дает неточные. Кроме того, белки в чистом виде никогда не встречаются. Однако при помощи разработанных методов было установлено, что колеблется в пределах от 14 до 45 тысяч и больше.

Одной из важных характеристик соединений является фракционное высаливание. Этот процесс представляет собой выделение белков из растворов после прибавления соляных растворов с различными концентрациями.

Еще одним немаловажной характеристикой является денатурация. Этот процесс происходит при осаждении белков тяжелыми металлами. Денатурация представляет собой потерю натуральных свойств. Этот процесс предполагает разные превращения молекулы, кроме разрыва полипептидной цепи. Другими словами, первичная структура белка при денатурации остается неизменной.