Пространственная организация биомакромолекул

1. ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ БИОМАКРОМОЛЕКУЛ

2.

1. Первичная структура белка. Мезомерия
пептидной связи.
2. Причины гибкости полипептидной цепи.
3. Вторичная структура белка, виды.
4. Сверхвторичные структуры.
5. Доменная организация белка.
6. Третичная структура белка.
7. Четвертичная структура белка.

3. ПЕРВИЧНАЯ СТРУКТУРА БЕЛКА -

последовательное расположение аминокислот,
соединенных пептидными связями .
БЕЛКИ СОСТОЯТ
ТОЛЬКО ИЗ L
АМИНОКИСЛОТ
(аминогруппа
слева)
(аминогруппа
справа)
Асимметричный
(хиральный) центр - С

4.

СВОЙСТВА ПЕПТИДНОЙ СВЯЗИ
Планарная, жёсткая (атомы С i, С, N, С i+1
находятся в одной плоскости)
Транс-конфигурация (угол (омега) равен 180о)
Частично двойная 1,32 Å
длина С-N равна 1,49 Å
длина С=N равна 1,27 Å
Способность к образованию
водородной связи

5.

ПЛОСКАЯ ФОРМА
ПЕПТИДНОЙ ГРУППЫ
ОБЕСПЕЧИВАЕТСЯ SP2ГИБРИДИЗАЦИЕЙ ЭЛЕКТРОНОВ
АТОМОВ N И C
SP2- ОРБИТЫ
ВОВЛЕКАЮТ АТОМ В
ТРИ КОВАЛЕНТНЫЕ
СВЯЗИ, ЛЕЖАЩИЕ В
ОДНОЙ ПЛОСКОСТИ

6. ДЕЛОКАЛИЗАЦИЯ -ЭЛЕКТРОНОВ В ПЕПТИДНОЙ СВЯЗИ

ДЕЛОКАЛИЗАЦИЯ -ЭЛЕКТРОНОВ В
ПЕПТИДНОЙ СВЯЗИ
ЭЛЕКТРОНЫ АТОМОВ С И N
СОЗДАЮТ
«ДЕЛОКАЛИЗОВАННОЕ»
ЭЛЕКТРОННОЕ ОБЛАКО,
КОТОРОЕ ОХВАТЫВАЕТ ОБА ЭТИ
АТОМА И РАСПРОСТРАНЯЕТСЯ
НА АТОМ О ЧЕРЕЗ СВЯЗЬ С=О.
ОБОБЩЕСТВЛЕННЫЕ
ЭЛЕКТРОНЫ ПРЕПЯТСТВУЮТ
ВРАЩЕНИЮ ВОКРУГ C-N
СВЯЗИ

7.

ПРИ ДЕЛОКАЛИЗАЦИИ ЭНЕРГИЯ ЭЛЕКТРОНОВ
ПАДАЕТ И ОНИ ПЕРЕХОДЯТ В БОЛЕЕ
СТАБИЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ

8. ДЛИНЫ СВЯЗЕЙ В ПЕПТИДНОЙ ГРУППЕ

H
H
0,132 нм
0,147 нм
С
С
:N
0,124 нм
0,121 нм
O
O-
N+

9.

ПРИЧИНЫ ГИБКОСТИ ПОЛИПЕПТИДНОЙ
ЦЕПИ: предположения
1. Изменение длин связей и валентных углов.
2. Вращение вокруг валентных связей.

10. Один из параметров, описывающих конформацию, - ВАЛЕНТНЫЕ УГЛЫ

Валентный угол — угол между двумя связями,
примыкающими к одному и тому же атому.
Валентный угол — это плоский угол; связи,
определяющие его, лежат в одной плоскости.

11.

ВАЛЕНТНЫЕ УГЛЫ СОСТАВЛЯЮТ
ОКОЛО 120о И 109о
120о - ПРИ SP2-ГИБРИДИЗИРОВАННЫХ
ОРБИТАЛЯХ -С<, -N<, ГДЕ ТРИ СВЯЗИ
НАПРАВЛЕНЫ ИЗ ЦЕНТРА К ВЕРШИНАМ
ПЛОСКОГО ТРЕУГОЛЬНИКА
109о - ПРИ SP3-ГИБРИДИЗИРОВАННЫХ
АТОМАХ >С < , ГДЕ ЧЕТЫРЕ СВЯЗИ
НАПРАВЛЕНЫ ИЗ ЦЕНТРА К ВЕРШИНАМ
ТЕТРАЭДРА.

12.

ПРИ КОМНАТНОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ ВАЛЕНТНЫЕ СВЯЗИ НЕ
ФЛУКТУИРУЮТ:
ЧАСТОТА КОЛЕБАНИЙ ЭТИХ СВЯЗЕЙ 2х1013 сек –1
ЧАСТОТА ТЕПЛОВЫХ КОЛЕБАНИЙ 7х1012 сек –1
АМПЛИТУДА ТЕПЛОВЫХ КОЛЕБАНИЙ ВАЛЕНТНЫХ
УГЛОВ НЕВЕЛИКА И СОСТАВЛЯЕТ ОКОЛО 5о.
ВЫВОД: ГИБКОСТЬ ПОЛИПЕПТИДНОЙ ЦЕПИ
ОБЕСПЕЧИВАЕТСЯ ДРУГИМИ ФАКТОРАМИ.

13.

ГИБКОСТЬ ПОЛИПЕПТИДНОЙ ЦЕПИ, А, ЗНАЧИТ, И
ЕЕ СПОСОБНОСТЬ ОБРАЗОВЫВАТЬ СПИРАЛИ И
ГЛОБУЛЫ ОБЕСПЕЧИВАЕТ ВРАЩЕНИЕ ВОКРУГ
ВАЛЕНТНЫХ СВЯЗЕЙ.

14.

ТОРСИОННЫЙ УГОЛ
Для однозначного определения конформации
молекулы используются торсионные углы.

15.

Торсионный угол
(вокруг какой-либо связи) —
это двугранный угол,
определяющий взаимный
поворот частей молекулы,
находящихся по разные
стороны от этой связи.
Торсионные углы
используются для описания
конформации не только
малых молекул, но и
макромолекул, в частности,
белков.

16.

Двугранные
(торсионные) углы
могут принимать
значения от -180 до
+180.

17.

При описании конформации молекулы белка принято
выделять главную цепь (атомы, образующие «остов»
полипептидной цепи — N, Cα и C' аминокислотных остатков) и
боковые цепи (радикалы аминокислотных остатков).
Торсионные углы обозначают греческими буквами.
Углы вокруг связей, образующих главную цепь,
обозначаются буквами ϕ, ψ и ω; буквой - углы связей
боковых групп.

18.

УГОЛ ОПИСЫВАЕТ ВРАЩЕНИЕ
ВОКРУГ СВЯЗИ N – C
УГОЛ ОПИСЫВАЕТ ВРАЩЕНИЕ
ВОКРУГ СВЯЗИ C – C
УГОЛ ОПИСЫВАЕТ ВРАЩЕНИЕ
ВОКРУГ СВЯЗИ C - N
- УГОЛ ВРАЩЕНИЯ В БОКОВОЙ
ЦЕПИ

19.

20.

Угол ω— константа.
Из-за частичного двойного характера
пептидной группы вращение вокруг
пептидной связи затруднено;
атомы пептидной группы (C=O, N–H)
лежат в одной плоскости, в той же
плоскости лежат и связанные с ними
Cα с одной стороны и N — с другой, а
значит, ω = 180°.
ЕА для углов и от 0,84 до 2,52 кДж/моль, для
пептидной связи - 84 кДж/моль.

21.

СВЯЗИ, СТАБИЛИЗИРУЮЩИЕ
ПЕРВИЧНУЮ СТРУКТУРУ
Пептидные
Дисульфидные
Пример:
Рибонуклеаза
из поджелудочной железы быка
состоит из 124 аминокислот.
Первичная структура фермента
стабилизирована четырьмя
S-S связями между цистеином

22.

ВЫВОД:
пространственная структура белковой молекулы в целом
может быть определена как конформация главной цепи.
вся возможная гибкость полипептида обеспечивается
вращением химических групп вокруг связей N–Cα и Cα–C'.
конформацию полипептида можно описать как
совокупность торсионных углов ϕ и ψ для всех аминокислот
цепи.

23.

ВТОРИЧНАЯ СТРУКТУРА
Это пространственная
конфигурация полипептидной
цепи
В основе лежит способность
пептидной связи к образованию
водородных связей
-спираль, -складчатый слой

24.

ТИПЫ ВТОРИЧНОЙ СТРУКТУРЫ
РЕГУЛЯРНЫЕ
СТРУКТУРЫ
НЕРЕГУЛЯРНЫЕ
СТРУКТУРЫ
Спирали
Изгибы
-Слои
Петли, шпильки

25.

-спираль
Правая спираль;
Шаг спирали – 3,6 остатка
аминокислот;
Стабилизируется
водороднымисвязями
по С=О(i) и N-Н (i=4)
пептидных групп
R снаружи;
Нет внутри полости;

26.

ПАРАМЕТРЫ -СПИРАЛИ
НА КАЖДЫЙ ВИТОК (ШАГ) СПИРАЛИ ПРИХОДИТСЯ 3,6
АМИНОКИСЛОТНЫХ ОСТАТКОВ.
ШАГ СПИРАЛИ (РАССТОЯНИЕ ВДОЛЬ ОСИ) – 0,54 НМ.
НА ОДИН АМИНОКИСЛОТНЫЙ ОСТАТОК ПРИХОДИТСЯ 0,15
НМ.
ЧЕРЕЗ 5 ВИТКОВ СПИРАЛИ (18 АМИНОКИСЛОТНЫХ
ОСТАТКОВ) СТРУКТУРНАЯ КОНФИГУРАЦИЯ
ПОЛИПЕПТИДНОЙ ЦЕПИ ПОВТОРЯЕТСЯ

27.

ПОСТУЛАТЫ ПОЛИНГА – КОРИ
•Длины связей и валентных
углов всех пептидных групп
одинаковы.
•Полипептидная цепь
насыщена водородными
связями.
•Конформационное состояние
всех звеньев полипептидной
цепи является эквивалентным.

28.

ПРИЧИНЫ ОТКЛОНЕНИЙ -СПИРАЛИ ОТ
КЛАССИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПОЛИНГА-КОРИ
Взаимодействие спирали
с другими структурами
белка
Нарушают спирализацию
громоздкий радикал,
S-S связи, ПРО
Наличие остатков ПРО –
искривление спирали на
200
Несимметричное
взаимодействие с водой.
Изгиб спирали

29.

Спираль 3(10)
Обычно короткие и чаще всего
расположены на концах
регулярных альфа-спиралей.
рассматривают не как
самостоятельный вид, а как
своеобразное искажение спирали
Полный виток образован 3 АКО и
каждая водородная связь
замыкает белковую цепь в
кольцевую структуру из 10 атомов.

30.

Спираль 3(10)
Стабилизируется водородными
связями между атомами O(i) и азота
N(i+3)
Черными кружками и номерами
помечены 10 атомов, замкнутых в
кольцо одной водородной связью.
Пунктирные линии – водородные связи

31.

Пи-спираль
Водородные связи
образуются между
АКО, разделенными
друг от друга 5
другими остатками в
полипептиде.
Водородные связи
между СО(i) и NH(i+5)
Шаг спирали включает
4,4 аминокислотных

32.

Полипролиновая
спираль — это тип
вторичной структуры
белка, который
встречается в
последовательностях
аминокислот,
содержащих
повторяющиеся
остатки пролина.
ВОДОРОДНЫЕ СВЯЗИ
ОТСУТСТВУЮТ
Вид сверху спирали поли-Про I

33.

коллагеновая
спираль
Левая спираль
Gly – в центре
суперспирали
Виток– 3 а.к.
Нет водородных
мостиков
Повторы Gly-Х-Y,
где Х=Pro
схожа с L-полиПРО
спиралью

34.

Конформационные параметры различных
спиралей в белковой молекуле
Тип спирали
Длина
витка,
а.к.
Шаг
спирал
иÅ,
-спираль
спираль 3/10
-спираль
Полипролин I
Полипролин II
-57
-49
-57
-83
-78
-47
-26
-70
+158
+149
180
180
180
0
180
3,6
3,0
4,4
3,33
3,0
5,4
6,0
5,06
6,33
9,36
Полипролин III -80 +150 180 3,0
9,3

35.

ДИАГРАММА РАМАЧАНДРАНА
В 1963 году индийский ученый
Г.Рамачандран использовал
компьютерные модели
небольших пептидов для
анализа возможных стабильных
конформаций при изменении
углов φ и ψ.
Конформацию белка можно
представить в виде набора точек
на двумерной диаграмме.
Каждая точка соответствует
одному АКО в структуре белка, а
значения двух торсионных углов
φ и ψ этого остатка – его
координаты на плоскости.

36.

-СТРУКТУРЫ
Плоскости пептидных связей
расположены подобно
равномерным складкам листа
бумаги;
R-группы направлены
перпендикулярно плоскости листа
попеременно вверх и вниз;
Стабилизация за счет
образования поперечных
межцепочечных водородных
связей;
обычно в глобулярных белках,
из 6 цепей, ширина листа 25Å

37.

-СТРУКТУРЫ
параллельный слой (рис а)
антипараллельный слой
(рис b,энергетически более
выгодный)
стабилизируется
водородными
межцепочечными связями
длина β-структур – 3-8 ак,
а β-слой составлен из 2-6
цепей (до 10);
Характерно формирование
поверхностей с однотипными
R-группами

38.

-ИЗГИБ
Поворот полипептида на
1800. Наиболее экономичный
структурный элемент
Используется три пептидные
группировки;
Стабилизируется
водородной связью между
O(i)-N(i+3);
Часто встречается Gly и Pro;
Практически всегда
оказывается на поверхности
глобулы;
Непериодическая структура
(Углы φ и ψ разные)

39.

-ИЗГИБ
Существует две возможные структуры
поворота.
отличаются друг от друга поворотом
на 180° центрального аминокислотного
остатка.
У каждого есть зеркальные аналоги

40.

-ШПИЛЬКИ
Если к -повороту с двух концов подходят
антипараллельные -тяжи, то образуется
петля (шпилька, -hairpin)
Аналогично -поворотам, -шпильки
бывают типа I или II, а также имеют
зеркальные аналоги I , II в зависимости от
типа
-поворота в них
Из-за стерических ограничений вторым
аминокислотным остатком в I и первым
остатком в II может быть только глицин

41.

СУПЕРСПИРАЛИ
Суперспираль — это пучок из α-спиралей, скрученных
друг относительно друга под углом около 20°.

42.

43.

Супервторичная структура (мотив)
# специфичная комбинация (мотив)
вторичных структур, имеющих
особенную топологию и организованных
в характерную трехмерную структуру
# Наличие мотива может быть
связано с определенными функциями белка
# Эволюционно консервативные
структуры
43

44.

СУПЕРВТОРИЧНЫЕ
СТРУКТУРЫ
- МОТИВЫ
# helix-turn-helix
# ДНК-связывающие белки
# Cro и lambda репрессоры

45.

СУПЕРВТОРИЧНЫЕ
СТРУКТУРЫ
- МОТИВЫ
#helix-loop-helix
#EF-hand мотив
#Са-связывающих белках
#кальмодулин, тропонин С

46.

СУПЕРВТОРИЧНЫЕ
СТРУКТУРЫ
- МОТИВЫ
# coiled-coil мотив
# структурные белки
# ДНК-связывающие
белки
# с-Jun, c-Fos

47.

СУПЕРВТОРИЧНЫЕ
СТРУКТУРЫ
- МОТИВЫ
# Zinc-finger мотив
# ДНК-связывающие белки
# Транскрипционные
факторы
# Рецепторы стероидных
гормонов

48.

СУПЕРВТОРИЧНЫЕ
СТРУКТУРЫ
- МОТИВЫ
# β-barrel мотив
# β-бочонок, барабан
# трансмембранные
белки
# порин

49. ДОМЕННАЯ СТРУКТУРА БЕЛКА

ДОМЕНЫ – ПОДУРОВЕНЬ
СТРУКТУРНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ
БЕЛКА НА ПУТИ ОТ
ВТОРИЧНОЙ К ТРЕТИЧНОЙ
СТРУКТУРЕ
ДОМЕНЫ – ОБЛАСТИ В
ТРЕТИЧНОЙ СТРУКТУРЕ БЕЛКА С
ОПРЕДЕЛЕННОЙ СТРУКТУРНОЙ
АВТОНОМИЕЙ
НАЛИЧИЕ ДОМЕНОВ СОЗДАЕТ
СТРУКТУРНЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ДЛЯ
БОЛЬШЕЙ ВНУТРЕННЕЙ ГИБКОСТИ,
ДИНАМИКИ БЕЛКОВЫХ МОЛЕКУЛ,
ДОСТИГАЕМОЙ СМЕЩЕНИЕМ
ДОМЕНОВ ОТНОСИТЕЛЬНО ДРУГ
ДРУГА

50. ДОМЕННАЯ СТРУКТУРА БЕЛКА

ОДИНАКОВЫЕ ДОМЕНЫ
МОГУТ ПРИСУТСТВОВАТЬ
В РАЗНЫХ БЕЛКАХ
ПРЕДПОЛАГАЮТ
СУЩЕСТВОВАНИЕ ПОРЯДКА
2000 ДОМЕНОВ

51. ТРЕТИЧНАЯ СТРУКТУРА БЕЛКА

52.

ВАРИАНТЫ ИЗОБРАЖЕНИЯ
ТРЕТИЧНОЙ СТРУКТУРЫ
ЛЕНТОЧНАЯ МОДЕЛЬ
#Ribbon model
#Розовый цвет – β-слой
#Зеленый цвет – α-спираль
#Желтый цвет – спираль 3/10
#Голубой цвет – S-S-связи
Bovine Pancreatic Trypsin Inhibitor58 ак

53.

Stereo pair
Space-filling model
Показано положение
всех атомов (кроме Н)
Показаны
Ван-дер-Ваальсовы
радиусы всех атомов

54.

Backbone wire
model
Показаны Сα-атомы
основной цепи
Sausage
model
Показано направление
полипептидной цепи
без деталей

55.

СООТНОШЕНИЕ И -МОТИВОВ
В ТРЕТИЧНОЙ СТРУКТУРЕ
/
гемоглобин
/
/
иммуноглобулин флаводоксин
+
лизоцим

56.

Мозаичные
белки
56

57.

СИЛЫ, СТАБИЛИЗИРУЮЩИЕ
ТРЕТИЧНУЮ СТРУКТУРУ
1. гидрофобные взаимодействия
между неполярными
(гидрофобными) R-группами;
2. электростатические силы
притяжения (ионные связи);
3. водородные связи;
4. Ван-дер-ваальсовы
взаимодействия ;
5. дисульфидные связи между
радикалами двух молекул
цистеина. В ряде белков они
могут вообще отсутствовать
.

58. 1.Гидрофобные взаимодействия

ГИПОТЕЗА ОБ ОПРЕДЕЛЯЮЩЕЙ РОЛИ ГИДРОФОБНЫХ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ ДОКАЗАНА В 1944.

59.

СВОБОДНАЯ ЭНЕРГИЯ ГИББСА
ΔG = ΔH - TΔS
ДЛЯ САМОПРОИЗВОЛЬНО ПРОТЕКАЮЩИХ ПРОЦЕССОВ
ΔG<0.
ВЫГОДНО УМЕНЬШЕНИЕ ЭНТАЛЬПИИ или УВЕЛИЧЕНИЕ ЭНТРОПИИ.
ОБРАЗОВАНИЕ СВЯЗЕЙ
РАЗРЫВ СВЯЗЕЙ
ЭНТАЛЬПИЯ СНИЖАЕТСЯ
ЭНТАЛЬПИЯ ПОВЫШАЕТСЯ.

60.

При свертывании белковой глобулы
выигрыша в числе водородных связей не
происходит, т к одновременно
утрачиваются водородные связи
«полипептидная цепь – вода».
При свертывании глобулы убывает
энтропия пептидной цепи, но
одновременно происходит возрастание
энтропии растворителя - воды, что играет
решающую роль в стабилизации третичной
структуры белка.

61. ТЕРМОДИНАМИКА ОБРАЗОВАНИЯ ГЛОБУЛЫ

СВОБОДНАЯ ЭНЕРГИЯ
ГИББСА
ΔG = ΔH - TΔS
ДЛЯ
САМОПРОИЗВОЛЬНЫХ
ПРОЦЕССОВ G<0

62.

2.1 Электростатические силы притяжения (ионные
связи, солевые мостики)
Между положительно и отрицательно заряженными
боковыми радикалами аминокислотных остатков.
Расстояние между атомами - не более 4 А.
На поверхности глобулы, при контакте с водой.
Аминокислотные остатки,
которые могут
образовывать солевые
мостики:
Asp и Glu (т.к. несут в
боковом радикале
отрицательно заряженные
карбоксильные группы);
Arg, Lys и His (т.к. несут в
боковом радикале
положительно заряженные
группы).

63.

64.

2.2 Взаимодействие катион - -электроны
В белках такое взаимодействие
характерно между остатками
ароматических аминокислот и
остатками с положительно
заряженными боковыми
группами.
Ароматические АК могут
располагаться внутри глобулы и
взаимодействовать с
заряженными боковыми
радикалами, находящимися на
поверхности

65.

66.

3.Водородные связи в белковой глобуле:
А - между двумя гидроксильными группами;
Б - между ионизированной СООН-группой и ОН-группой
тирозина;
В - между ОН-группой серина и пептидной связью.

67. 4.Ван-дер-ваальсовы взаимодействия

Неполярная молекула не имеет постоянного
дипольного момента, она обладает мгновенным
дипольным моментом из-за локальных флуктуаций
электронной плотности.

68.

5.Дисульфидные связи

69.

Основные типы движений в белковой молекуле
Тип движения
Амплитуда, Å
Время, с
Атомные флуктуации
(несогласованные
перемещения отдельных
атомов, например, повороты
на 20 - 60º вокруг простых
связей пептидного скелета и
боковых групп)
0,01 - 1
10-15 - 10-11
Коллективные
(согласованные)
перемещения групп
атомов (от нескольких до
сотен)
0,01 - 5
10-12 - 10-3
Индуцированные
внешними факторами
изменения конформации
0,5 - 10
10-9 - 103

70.

ЧЕТВЕРТИЧНАЯ СТРУКТУРА
это количество и способ укладки
протомеров (субъединиц)
в олигомерных белках
Связи, стабилизирующие структуру:
Водородные связи между субъединицами
(преобладают)
Дисульфидные связи
Гидрофобные связи (в зоне «липких» участков)

71.

ЧЕТВЕРТИЧНАЯ СТРУКТУРА БЕЛКА
Гидрофильные остатки не полностью
покрывают гидрофобное ядро, что приводит
к образованию надмолекулярных структур

72.

ОРГАНИЗАЦИЯ
ЧЕТВЕРТИЧНОЙ
СТРУКТУРЫ
#Гетеромерные белки
(РНК-полимераза E.coli
имеет структуру 2 ’ )
#Гомомерные белки (ФНО)
#Количество субъединиц
чётное, ди-, тетра-,
гекса- и октамеры

73.

ЧЕТВЕРТИЧНАЯ СТРУКТУРА
ЛАКТАТДЕГИДРОГЕНАЗЫ
-
КФ 1.1.1.27
CH3 -C-COO
O НАDH H+
пируват
ЛДГ1 сердце
CH 3-CH-COO
НАD+
OH
лактат
1.
ЛДГ5 печень
ЛДГ тетрамер, в состав входят две субъединицы Н и M.
В зависимости от комбинации этих субъединиц
существует 5 изоферментов ( ферменты которые
катализируют одну реакцию, но в разных условиях)

74. РОЛЬ ЧЕТВЕРТИЧНОЙ СТРУКТУРЫ

1. ОБЕСПЕЧЕНИЕ МНОЖЕСТВЕННЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ
БЕЛКА С ПРОТЯЖЕННЫМИ СТРУКТУРАМИ
2. РЕГУЛЯТОРНАЯ ФУНКЦИЯ
3. ОБЪЕДИНЕНИЕ НЕСКОЛЬКИХ ВЗАИМОСВЯЗАННЫХ
ФУНКЦИЙ В ЕДИНОЙ СТРУКТУРЕ