Белки

Определениe аминокислотной последовательности первого белка, инсулина, методом секвенирования белков принесло Фредерику Сэнгеру Нобелевскую премию в 1958 году.

Первые трёхмерные структуры белков - гемоглобина и миоглобина - были разрешены методом дифракции рентгеновских лучей, соответственно, Максом Перутцем и Джоном Кендрю в 1958 году, за что в 1962 они получили Нобелевскую премию по химии.

История изучения Название «протеин» (синоним «белку») происходит от греч. ; («прота»), то есть — «главным образом важности». Белки были выделены в отдельный класс биологических молекул в XVIII веке в результатте работ французского химика Антуана Фуркруа и других учёных, в которых было отмечено свойство белков коагулировать (денатурировать) под воздействием нагревания или кислот. В то время были исследованы такие белки, как альбумин ('яичный белок'), белок из крови, фибрин и глютен из зерна пшеницы . Голландский химик Герхард Мёлдер провёл анализ состава белков и обнаружил, что практически все белки имеют одинаковую эмпирическую формулу.

Термин 'белок' для обозначения подобных молекул был предложен в 1838 сотрудником Мёлдера Якобом Берцелиусом. Мёлдер также определил продукты разрушения белков - аминокислоты и для одной из них (лейцина) почти точно определил молекулярную массу - 131 Дальтон.

Однако центральная роль белков в организмах не была признана до 1926 года, когда американский химик Джеймс Самнер (впоследствии — лауреат Нобелевской премии) показал, что фермент уреаза была белком.

Изучению белков препятствовала сложность их выделения.

Поэтому первые исследования белков проводились с использованием тех полипептидов, которые могли быть очищены в большом количестве, т.е. белках крови, куриных яиц, различных токсинах и пищеварительных/метаболических ферментах, которые можно было выделить в местах забоя скота. В конце 1950-х компания Армор Хот Дог К (Armour Hot Dog Co) смогла очистить килограмм бычьей панкреатической рибонуклеазы А, которя стала экспериментальным обьектом для многих учёных. Идея о том, что вторичная структура белков образуется в результате образования водородных связей между аминокислотами была высказана Уильямом Астбури в 1933, но Лайнус Полинг считается первым учёным, который смог успешно предсказать вторичную структуру белков.

Позднее Уолтер Каузман, опираясь на работы Кая Линдерсторма-Лэнга, внёс весомый вклад в понимание законов образования третичной структуры белков и роли в этом процессе гидрофобных взаимодействий. В 1949 Фред Сэнгер определил аминокислотную последовательность инсулина, продемонстрировав таким способом, что белки - это линейные полимеры аминокислот, а не их разветвлённые (как у некоторых сахаров) цепи, коллоиды или циклолы.

Первые структуры белков, основанные на дифракции рентгеновских лучей на уровне отдельных атомов были получены в 1960-х и с помощью ЯМР в 1980-х. В 2006 Банк Данных о Белках (Protein Data Bank) содержал около 40 000 структур белков. В настоящее время криоэлектронная микроскопия больших белковых комплексов и предсказание малых белков и доменов больших белков с помощью компьютерных программ по точности приближаются к разрешению структур на атомном уровне.

Структура белка Молекулы белков представляют собой линейные полимеры, состоящие из 20 основных -L-аминокислот (которые являются мономерами) и, в некоторых случаях, из модифицированных основных аминокислот (правда модификации происходят уже после синтеза белка на рибосоме). Для обозначения аминокислот в научной литературе используются одноили трёхбуквенные сокращения. При образовании белка в результате взаимодействия -аминогруппы (-NH2) одной аминокислоты с -карбоксильной группой (-СООН) другой аминокислоты образуются пептидные связи. Концы белка называют Си Nконцом (в зависимости от того, какая из групп концевой аминокислоты свободна: -COOH или -NH2, соответственно). При синтезе белка на рибосоме, новые аминокислоты присоединяются к C-концу, поэтому название пептида или белка даётся путём перечисления аминокислотных остатков начиная с N-конца. Белки длиной от 2 до 100 аминокислотных остатков часто называют пептидами, при большей степени полимеризации - протеинами, хотя это деление весьма условно.

Последовательность аминокислот в белке соответствует информации, содержащейся в гене данного белка. Эта информация представлена в виде поcледовательности нуклеотидов, причем одной аминокислоте соответсвует одна или несколько последовательностей из трех нуклеотидов - так называемых триплетов или кодонов. То, какая аминокислота соответствует данному кодону в мРНК определяется генетическим кодом, который может несколько отличаться у разных организмов.

Гомологичные белки (выполняющие одну функцию и предположительно имеющие общее эволюционное происхождение, например, гемоглобины) разных организмов имеют во многих местах цепи различные аминокислотные остатки, называемые вариабельными, в противоположность консервативным, общим остаткам. По степени гомологии возможна оценки эволюционного расстояния между таксонами.

Простые и сложные белки Выделяют простые и сложные белки.

Простые белки содержат только аминокислоты, связанные в цепочку.

Сложные белки имеют также неаминокислотные группы. Эти дополнительные группы в составе сложных белков называются «простетическими группами». Многие белки эукариот, например, имеют полисахаридные цепи, которые помогают белку принимать нужную конформацию и придают дополнительную стабильность.

Дисульфидные мостики также играют роль как элементы необходимые при принятии белком правильной 3-х мерной формы, и являются главным компонентом сложных белков. Но важно заметить, что в основном только эукариоты способны на синтезирование сложных белков (протеидов), так как прокариоты не имеют достаточно компартментализации для создания дополнительных изменений, присутствующих в сложных белках, и даже если могут это делать в периплазматическом пространстве , то это случается либо редко, либо неэффективно.

Уровни структуры белка Кроме последовательности аминокислот (первичной структуры), крайне важна трехмерная структура белка, которая формируется в процессе фолдинга (от англ. folding, т.е. сворачивание). Показано, что несмотря на огромные размеры молекул, природные белки имеют лишь одну конформацию, а утратившие структуру белки теряют свои свойства.

Выделяют четыре уровня структуры белка: Первичная структура — последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи.

Важными особенностями первичной структуры являются консервативные мотивы - сочетания аминокислот, важных для функции белка.

Консервативные мотивы сохраняются в процессе эволюции видов, по ним можно предсказать функцию неизвестного белка.

Вторичная структура — локальное упорядочивание фрагмента полипептидной цепи, стабилизированное водородными связями и гидрофобными взаимодействиями. Ниже приведены некоторые распространенные типы вторичной структуры белков: · · · · · Третичная структура — пространственное строение полипептидной цепи - взаимное расположение элементов вторичной структуры, стабилизированное взаимодействием между боковыми цепями аминокислотных остатков. В стабилизации третичной структуры принимают участие: · · · · · Четверичная структура — субъединичная структура белка.

Взаимное расположение нескольких полипептидных цепей в составе единого белкового комплекса. Также выделяют: · · · Свойства Размер белка может измеряться в числе аминокислот или в дальтонах (молекулярная масса), чаще из-за величины молекулы производной единице - килодальтонах (кДа). Белки дрожжей, в среднем, состоят из 466 аминокислот и имеют молекулярную массу 53 кДа. Самые большие известные в настоящее время белки, титины, являются компонентом саркомеров мускулов, их молекулярная масса - 3,000 кДа и общая длина 27,000 аа [1]. Белки также характеризуются изоэлектрической точкой (pI) - кислотностью среды