Что значит четвертичная структура белка
Параграф 59. Четвертичная структура белков
Автор текста – Анисимова Елена Сергеевна.
Авторские права защищены. Продавать текст нельзя.
Курсив не зубрить.
Замечания можно присылать по почте: exam_bch@mail.ru
https://vk.com/bch_5
Параграф учебника по биохимии 59:
«ЧЕТВЕРТИЧНАЯ СТРУКТУРА БЕЛКОВ».
(См. сначала п.57 и 58, затем п.6)
Содержание параграфа 59:
59. 1. Четвертичная структура белков.
Глобулы (см. п.58) и фибриллы, имеющие третичную структуру,
могут соединяться (нековалентно обычно),
образуя комплексы.
Это и есть четвертичная структура белка.
Определение:
Четвертичная структура белка –
это соединение (комплекс)
из нескольких отдельных полипептидных цепей (ППЦ),
у каждой из которых обычно есть третичная структура.
Кратко: четвертичная структура – это комплекс глобул. Или нитей-фибрилл.
Термины:
При наличии у белка четвертичной структуры
(а она не у всех белков есть, характерна для регулируемых белков)
отдельную ППЦ (глобулу, например) называют СУБЪЕДИНИЦЕЙ
или протомером, или мономером
(но не путайте эти мономеры
с мономерами типа аминокислот в ППЦ или глюкозы в гликогене).
Комплекс субъединиц называют ОЛИГОМЕРОМ
(олиго- означает несколько).
Олигомеры из двух субъединиц называют димерами,
из четырёх – ТЕТРАМЕРАМИ,
из шести – гексамерами,
из восьми – октамерами.
Пример октамера – октамер гистонов,
на который «наматывается» дуплекс ДНК – п.73 и 74.
Примеры тетрамеров –
гемоглобин и протеинкиназа А
(в ассоциированном виде – п.6).
59. 2. Связи в четвертичной структуре.
Какие связи удерживают субъединицы в комплексе
и тем самым стабилизируют четвертичную структуру (олигомер)? –
Те же самые, что и третичную,
кроме дисудьфидных –
ковалентные связи не характерны для четвертичной структуры,
поскольку важно, чтобы субъединицы могли соединяться и разъединяться.
Те же самые – то есть ионные, водородные и т.д.
59. 2. Положительная и отрицательная кооперативность в олигомерах.
Субъединицы могут влиять на конформацию других субъединиц олигомеров
и за счёт этого –
менять активность субъединиц –
активировать или инактивировать их.
Это влияние одних субъединиц на активность других субъединиц олигомера
называется КООПЕРАТИВНОСТЬЮ.
Активация субъединицы другой субъединицей (при связывании с ней)
называется ПОЛОЖИТЕЛЬНОЙ кооперативностью,
а инактивация субъединицы другой субъединицей
называется ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ кооперативностью.
Примеры. –
59. 2. 1. Пример положительной кооперативности.
Молекула гемоглобина состоит из четырёх субъединиц,
то является тетрамером.
Субъединицы гемоглобина активируют друг друга
(то есть в тетрамере гемоглобина наблюдается положительная кооперативность)
– благодаря этому активность тетрамера в 400 раз выше,
чем активность отдельной субъединицы
или чем активность молекулы миоглобина, у которой есть только одна субъединица.
(Миоглобин – это белок мышц.
Он тоже связывает кислород, как и гемоглобин,
но глобулы миоглобина не образуют олигомеры).
Есть группа ферментов, которые катализируют фосфорилирование белков
и называются протеинкиназами.
Одна из них называется протеинкиназой А (ПК А).
Молекула протеинкиназы А (см. п.6 и 95) тоже является тетрамером,
то есть состоит из четырёх субъединиц, как и гемоглобин.
Две субъединицы ПК А
способны катализировать реакцию
(фосфорилировать белки)
и поэтому называются КАТАЛИТИЧЕСКИМИ.
А две другие субъединицы протеинкиназы А
не катализируют реакции,
их функция – регулировать активность каталитических,
поэтому они эти субъединицы называются РЕГУЛЯТОРНЫМИ.
Когда регуляторные субъединицы связаны с каталитическими,
то каталитические не могут работать –
так как регуляторные их инактивируют
(то есть регуляторные являются ингибиторами каталитических),
поэтому тетрамер протеинкиназы не активен.
Кооперативность в протеинкиназе А отрицательная.
Каталитические субъединицы могут работать только тогда,
когда регуляторные отсоединяются от них.
Отсоединение регуляторных от каталитических
(и в итоге активация протеинкиназы А)
происходит тогда,
когда с регуляторными субъединицами связывается цАМФ.
Поэтому цАМФ считается активатором протеинкиназы А.
Таким образом, при положительной кооперативности олигомеры активнее субъединиц,
а при отрицательной кооперативности олигомеры не активны.
59. 3. Олигомерные белки
и полибелковые комплексы (полиферментные комплексы).
Олигомерные белки – это белки, которые образуют олигомеры.
О них выше.
Некоторые белки образуют комплексы из множества ППЦ (обычно глобул).
Это и есть полибелковые комплексы.
Если это комплекс ферментов, то он называется полиферментным комплексом.
Пример такого комплекса – пируват/дегидрогеназный комплекс (ПДГ),
катализирующий превращение пирувата в ацетилКоА (п.32, 20).
В этом комплексе объединены ферменты,
которые катализируют последовательность реакций.
Что даёт объединение белков в комплекс? – повышение эффективности работы.
Глобулы отдельных ферментов передают друг другу метаболиты, работая как конвейер.
Четвертичная структура белка
Вы будете перенаправлены на Автор24
Четвертичная структура белка – это способ укладки в пространстве отдельных полипептидных цепей, которые обладают разной (возможно одинаковой) первичной, вторичной, третичной структурой.
Четвертичная структура белка
Большая часть белковых молекул способна сохранять свою биоактивность, то есть выполнять присущую им функцию только в узком диапазоне температур и кислотности среды. При повышении температуры, изменении кислотности до экстремальных значений, добавлении гидрофобных агентов (например, органических растворителей) или при значительном увеличении концентрации солей, в структуре белков происходят изменения, которые приводят к их денатурации — потере своей нативной (естественной) пространственной структуры. Как правило, при этом первичная структура белка не разрушается.
Рисунок 1. Четвертичная структура белка. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
В структурном отношении четвертичная структура белка является макромолекулой. Многочисленные функциональные белки состоят из нескольких полипептидных цепей, они соединяются между собой несколькими главновалентными цепями. В данном случае ковалентные связи отсутствуют. Каждая отдельная полипептидная цепь получила название протомера, мономера или субъединицы, не обладающей высокой функциональной активностью.
Такую способность белок приобретает при определенном способе пространственного объединения мономеров. При этом возникает новое качество, которое не свойственно мономерному белку. Та молекула, которая образуется в результате этого, называется олигомером.
Готовые работы на аналогичную тему
Олигомерные белки обладают следующими свойствами:
Например, молекула гемоглобина состоит из двух α- и двух β-полипептидных цепей. Эта молекула имеет форму тетрамера. Другими словами, в состав молекула гемоглобина входят четыре полипептидные цепи, которые находятся в систематическом взаимодействии.
Каждая из них окружает специализированную группу гема-пигмента, окрашивающего кровь в характерный красный цвет. В определенных условиях молекула гемоглобина может подвергнуться обратной диссоциации. Такой процесс формируется под влиянием разрыва водородных связей. После удаления солей или мочевины происходит автоматическая ассоциация исходной молекулы гемоглобина.
Классическим примером олигомерной молекулы является вирус табачной мозаики, который имеет гигантскую молекулу. Длина вируса составляет примерно 300 нм. Вокруг молекулы РНК нанизываются белковые частицы, которые образуют спиралеобразную структуру, содержащую более 130 витков..
Данный вирус обладает удивительной способностью, которая заключается в том, что наблюдается полная регенерация (восстановление) четвертичной структуры с восстановлением всех ее физических параметров, а также биологических функций.
Особенности функционирования четвертчиной структуры белка
Таким образом, последовательность аминокислот содержит внутри себя информацию, которая реализуется на всех уровнях организации структуры белковой молекулы.
Многие ферменты обладают четвертичной структурой. Например, фосфорилаза это молекула, которая состоит из двух идентичных друг другу субъединиц, каждая из которых состоит из двух пептидных цепей. Таким образом, молекула представляет собой тетрамер. Отдельные субъединицы не могут иметь особенной каталитической активности. Любой регуляторный фермент всегда имеет четвертичную структуру и обеспечивает в клетке высокую скорость требуемых химических реакций.
Четвертичная структура белка имеет достаточно высокую степень стабильности. При этом она все- таки подвергается денатурации и может быть восстановлена при наличии нескольких условий от температуры и до наличия катализаторов.
Следует отметить тот факт, что четвертичная структура полностью расшифрована для нескольких сотен белков, но это далеко не все из известных белков. Эта структура обладает следующими характеристиками:
Структура белка, которая сформировалась в рибосоме может подвергаться модификации или посттрансляционному процессингу. Например, это происходит при превращении предшественников ряда ферментов или специализированных гормонов в вещества более высокого порядка.
Таким образом, существуют все основания, которые подтверждают существование четвертичной структуры белка (а также структур) низшего порядка. Каждый белок характеризуется собственной уникальной структурой и специализированными функциями. Выяснение структуры всех белков может служить ключом к познанию природы функционирования всех живых организмов. Такой путь научного поиска может помочь решить следующие многообразие проблем:
Многие исследователи склонны рассматривать существование пятого уровня организации структуры белка. В данном случае речь идет о полифункциональных макромолекулярных комплексах.
Ассоциат – это макромолекулярный белковый комплекс.
Ферменты в данном случае получают название метаболонов или олигомеров, которые катализируют весь путь превращений субстрата в синтетазы высших кислот, пируватдегидрогеназный комплекс, дыхательную цепь.
Подводя итог всему вышесказанному, можно сделать вывод о том, что взаимодействие между отдельными молекулами внутри четвертичной структуры белка дает свободу к изменениям ее пространственной структуры.
Расположение атомов и групп молекул органического вещества, обусловленное возможностями вращения данных молекул вокруг ковалентных связей, получило название конформации. Такие изменения лежат в основе биологической активности белковых полимеров.
Получи деньги за свои студенческие работы
Курсовые, рефераты или другие работы
Автор этой статьи Дата последнего обновления статьи: 31 01 2021
Анжелика Ивановна Иванова
Четвертичная структура белка
Под четвертичной структурой подразумевают способ укладки в пространстве отдельных полипептидных цепей, обладающих одинаковой (или разной) первичной, вторичной или третичной структурой, и формирование единого в структурном и функциональном отношениях макромолекулярно-го образования. Многие функциональные белки состоят из нескольких полипептидных цепей, соединенных не главновалентными связями, а неко-валентными (аналогичными тем, которые обеспечивают стабильность третичной структуры). Каждая отдельно взятая полипептидная цепь, получившая название протомера, мономера или субъединицы, чаще всего не обладает биологической активностью. Эту способность белок приобретает при определенном способе пространственного объединения входящих в его состав протомеров, т.е. возникает новое качество, не свойственное мономерному белку. Образовавшуюся молекулу принято называть олигоме-ром (или мультимером). Олигомерные белки чаще построены из четного числа протомеров (от 2 до 4, реже от 6 до 8) с одинаковыми или разными молекулярными массами – от нескольких тысяч до сотен тысяч. В частности, молекула гемоглобина состоит из двух одинаковых α- и двух β-полипептидных цепей, т.е. представляет собой тетрамер. На рис. 1.23 представлена структура молекулы гемоглобина, а на рис. 1.24 хорошо видно, что молекула гемоглобина содержит четыре полипептидные цепи, каждая из которых окружает группу гема – пигмента, придающего крови ее характерный красный цвет (см. главу 2).
Рис. 1.23. Олигомерная молекула гемоглобина (красные диски – группы гема).
В определенных условиях (присутствие солей, 8М мочевины или резкие изменения рН) молекула гемоглобина обратимо диссоциирует на две α-и две β-цепи. Эта диссоциация обусловлена разрывом водородных связей. После удаления солей или мочевины происходит автоматическая ассоциация исходной молекулы гемоглобина (рис. 1.25).
Рис. 1.24. Модель гемоглобина (по Перутцу).
α-Цепи светлые; β-цепи темные; группы гема красные.
Многие ферменты также обладают четвертичной структурой, например фосфорилаза а, состоящая из двух идентичных субъединиц, в каждой из которых по две пептидные цепи. Вся молекула фосфорилазы а, таким образом, представляет собой тетрамер. Отдельные субъединицы чаще всего не обладают каталитической активностью; вообще регуляторные ферменты (см. главу 4) имеют четвертичную олигомерную структуру. Они наделены функцией обеспечения в клетке требуемых скоростей химических реакций.
Рис. 1.26. Самосборка вируса табачной мозаики.
Наиболее изученным олигомерным ферментом является лактатдегидро-геназа (она катализирует обратимое превращение пировиноградной кислоты в молочную), содержащая два типа полипептидных цепей: Н – сердечный тип (от англ. heart – сердце) и М – мышечный тип (от англ. muscle – мышца) – и состоящая из 4 субъединиц. Этот фермент благодаря различным сочетаниям субъединиц может существовать в 5 формах. Такие ферменты получили название изоферментов, или, в соответствии с новой классификацией, множественных форм ферментов (см. главу 4).
Таким образом, имеются все основания для подтверждения мнения о существовании 4 уровней структурной организации белков. Более того, каждый индивидуальный белок характеризуется уникальной структурой, обеспечивающей уникальность его функций. Поэтому выяснение структуры разнообразных белков может служить ключом к познанию природы живых систем и соответственно сущности жизни. На этом пути научного поиска могут быть решены также многие проблемы наследственных заболеваний человека, в основе которых лежат дефекты структуры и биосинтеза белков.
Некоторые исследователи склонны рассматривать, и не без основания, существование пятого уровня структурной организации белков. Речь идет о полифункциональных макромолекулярных комплексах, или ассоциатах из разных ферментов, получивших название метаболических олигомеров, или метаболонов, и катализирующих весь путь превращений субстрата (синте-тазы высших жирных кислот, пируватдегидрогеназный комплекс, дыхательная цепь).
Четвертичная структура белков
Под четвертичной структурой понимают структуру белков, состоящих из нескольких полипептидных цепей. Каждая из этих цепей имеет свою завершенную пространственную структуру и называется субъединицей белка с четвертичной структурой. Белок при таком объединении нескольких цепей приобретает новую функцию.
Уровни структурной организации белковой молекулы
Связи, которые имеются между субъединицами, как правило, нековалентные (силы гидрофобного взаимодействия, ионные, водородные), хотя в ряде белков (например, белки плазмы крови) субъединицы соединены ковалентными дисульфидными мостиками. Создание белков с четвертичной структурной организацией позволило Природе расширить свои возможности в области качественного разнообразия белков при незначительном увеличении количества генетического материала. Например, фермент лактатдегидрогеназа (ЛДГ), состоящий из 4-х субъединиц, формируется из 2-х генетически детерминированных полипептидных цепей H и M. Их разные комбинации (HHHH,HHHM,HHMM,HMMM,MMMM) позволяют существовать в организме 5 ферментам ЛДГ, катализирующих одинаковую реакцию в разных органах и тканях: ЛДГ1, ЛДГ2, ЛДГ3, ЛДГ4 и ЛДГ5. Такие белки с одинаковыми функциями, но отличающимися физико-химическими свойствами получили название изопротеинов (изоферментов).
Слабое взаимодействие между отдельными частями белкой молекулы дает ей некоторую свободу к изменениям пространственной структуры. Мы уже указывали, что расположение атомов или групп атомов молекулы органического вещества, обусловленное возможностями вращения их вокруг ковалентных связей, получило название конформации. Изменение конформации белковой молекулы лежит в основе ее биологической активности.
Каждая отдельно взятая полипептидная цепь, которая называется протомером, чаще всего не обладает биологической активностью. Эту способность белок приобретает при объединении с другими протомерами. Образовавшуюся при этом молекулу называют мультимером. Мультимерные белки чаще всего построены из чётного числа протомеров. Функционально активная часть мультимера называется субъединицей.
В частности молекула белка глобина состоит из 2a и 2b субъедениц, каждая из которых состоит из двух одинаковых полипептидных цепей соответственно. То есть молекула гемоглобина состоит из четырех полипептидных цепей, каждая из которых окружает группу гема.
При определённых условиях (в присутствии мочевины) или при сдвиге рН молекула гемоглобина обратимо диссоциируют на 2a и 2b полипептидных цепи. После удаления мочевины происходит автоматическая ассоциация исходной молекулы. Это возможно благодаря информации, заложенной в первичной структуре. То есть последовательность аминокислот содержит в себе информацию, которая реализуется на всех уровнях структурной организаци белка. Наиболее изученным мультемерным ферментом является ЛДГ, состоящий из 4-х субъединиц и может существовать в 5-ти формах (изоферменты).
ПЯТЫЙ УРОВЕНЬорганизации представлен в виде ферментных комплексов, которые катализируют цепной и метаболический путь. Эти комплексы называются метаболонами, они чаще связаны с клеточными мембранами.
Стабильность четвертичной структуры обусловлена ковалентными связями между контактными площадками протомеров, которые взаимодействуют друг с другом по принципу комплементарности. Так, например, в гемоглобине каждая субъединица имеет 4 контактные поверхности для связывания с гемом, 3 – для связывания с другими протомерами.
В последние годы была сформулирована теория доменной структуры белка. Домен – это функциональный модуль, рабочая поверхность отдельного белка. То есть белок – это полифункциональный модуль, состоящий из нескольких доменов. Было установлено, что белки выполняющие одну и ту же функцию, но выделенные из разных веществ, имеют сходное строение. Домены друг относительно друга могут смещаться благодаря “ гибкости” белковой молекулы. Смещение происходит под действием температуры, факторов внешней среды, фосфорилирования, метилирования, и это отражается на свойствах и функциях белка.
Лигандами могут быть самые разные по химической природе вещества: белки, углеводы, липиды, неорганические вещества и т.д. Примерами такого специфического белок-лиганд взаимодействия являются взаимодействие между ферментом и субстратом, антителом и антигеном, рецептором и гормоном и т.д.
Учитывая важность конформационных изменений для выполнения белками их функций, становится понятным, что в регуляции их функциональной активности важная роль отводится факторам, влияющим на конформацию белка. Такими факторами могут быть изменения pH, температуры, которые в равной мере влияют на все белки и могут быть названы неспецифическими факторами регуляции. С другой стороны, это могут быть специфически взаимодействующие с белками вещества и тогда говорят о специфических факторах регуляции. Последние создают неограниченные возможности в специфической регуляции процессами жизнедеятельности.
Четвертичная структура
Связанные понятия
Упоминания в литературе
Связанные понятия (продолжение)
В биохимии и молекулярной биологии фо́лдингом белка (укладкой белка, от англ. folding) называют процесс спонтанного сворачивания полипептидной цепи в уникальную нативную пространственную структуру (так называемая третичная структура).
Принцип компартментализации клеток эукариот постулирует, что биохимические процессы в клетке локализованы в определённых отсеках, покрытых оболочкой из бислоя липидов. Большинство органоидов в эукариотической клетке являются компартментами — митохондрии, хлоропласты, пероксисомы, лизосомы, эндоплазматический ретикулум, ядро клетки и аппарат Гольджи. Внутри ряда компартментов (в том числе ядра) выделяются также субкомпартменты, различающиеся по форме и функциям.
В молекулярной биологии, биохимии и фармакологии термин «малые молекулы» обозначает химические соединения со сравнительно малой молекулярной массой, то есть низкомолекулярные вещества (молекулярная масса не более 900 дальтон), обладающие той или иной биологической активностью, то есть способностью регулировать или воздействовать на те или иные биологические процессы. Характерный размер «малых молекул» не более 10−9 м. Большинство лекарств являются малыми молекулами (то есть низкомолекулярными веществами.
Нуклеазы — большая группа ферментов, гидролизующих фосфодиэфирную связь между субъединицами нуклеиновых кислот. Различают несколько типов нуклеаз в зависимости от их специфичности: экзонуклеазы и эндонуклеазы, рибонуклеазы и дезоксирибонуклеазы, рестриктазы и некоторые другие. Рестриктазы занимают важное положение в прикладной молекулярной биологии.