Рис.8-9.

Строение белков
Лекция 8
Строение полипептидов. Характеристика аминокислотных остатков – объем, степени
свободы, гидрофильность, гидрофобность, зависимость свойств от рН
Конформации пептидной единицы.Карта Рамачандрана.
Уровни организации структуры белка.
Типы вторичных структур полипептидной цепи. Типы спиралей. Вета-цепи. Реверсивные
повороты. Неупорядоченное состояние.
Относительное содержание разных типов вторичных структур.
Сверх вторичные структуры. Бета-листы. Бета-баррели. Суперспирали.
Структурные домены. Свойства доменов. Типы доменов. Предпочтительность доменной
организации белковой молекулы. Понятие о пространственном фолде. Примеры фолдов.
Топологические ограничения при формировании фолдов. Конечноть числа фолдов. Банк
данных трехмерных пространственных структур молекул белков.
Строение полипептидов
Белки – линейные полимеры из аминокислотных остатков
Аминокислоты
L - конфигурация
Полимерная цепь
i
i+1
Пептидная связь С=N - частично двойная - транс конфигурация
Углы вращения в пептидной цепи
Атомы
соседних пептидных единиц
лежат в одной плоскости
Степени свободы – углы вращения
 : C’(i-1)-- Ni==Cai -- C’i
 : Ni-- Cai -- C’i -- Ni+1
: Cai -- C’i -- Ni+1-- Cai+1 ~ 180°±10°
заторможен
 : углы вращения в боковых группах
Строение аминокислотных остатков
Рис.8-1. Боковые цепи двадцати стандартных аминокислотных остатков, исходящие из С 
атомов главной цепи. Белыми кружками показаны С атомы главной цепи, серыми — С
атомы боковых групп, светло-серыми — H атомы боковых групп, синими — N атомы
боковых групп, красными — O атомы боковых групп, желтыми — S атомы боковых
групп.
Свойства аминокислотных остатков
Таблица 8-1. Основные свойства аминокислотных остатков
_____ Аминокислотный остаток _____
Gводаспирт
% в белках Мол вес при бок.
группы
название
код
E.coli
pH7 (дальтон) при
250С
3-букв.
1-букв.
(ккал/моль)
Глицин
Аланин
Пролин
Глутаминовая
кислота
Глутамин
Аспарагиновая
кислота
Аспарагин
Серин
Гистидин
Лизин
Аргинин
Треонин
Валин
Изолейцин
Лейцин
Метионин
Фенилаланин
Тирозин
Цистеин
Триптофан
Gly
Ala
Pro
G
A
P
8
13
5
57
71
97
0
-0.4
-1.0
Glu
E
6
128
+0.9
Gln
Q
5
128
+.03
Asp
D
5
114
+1.1
Asn
Ser
His
Lys
Arg
Thr
Val
Ile
Leu
Met
Phe
Tyr
Cys
Trp
N
S
H
K
R
T
V
I
L
M
F
Y
C
W
5
6
1
7
5
5
6
4
8
4
3
2
2
1
114
87
137
129
157
101
99
113
113
131
147
163
103
186
+0.8
+0.1
-0.2
+1.5
+1.5
-0.3
-2.4
-1.6
-2.3
-1.6
-2.4
-1.3
-2.1
-3.0
I.I.Fauchere, V.Pliska, Eur. J. Med. Chem.-Chim. Ther. (1983) 18:369. Объем (в 3),
приходящийся на аминокислотный остаток близок к его молекулярному весу в
(дальтонах), умноженному на 1.3.
Свойства аминокислот
Таблица 8-2. Основные структурные свойства аминокислотных остатков
A.к. Наличие число Диполь/заряд pK
ост. NH C 
Яркая тенденция быть в:
до спираль
за
клубок ядро
N |N  C| C 
Gly
-
-
+
4.3
+
+ - - - - +
+ +
- - -
-
3.9
+ +
-
Ala
Pro
1
Glu
1
Asp
1
Gln
1
COOH
CO2COOH
CO2OCNH2
Asn
1
OCNH2
+
Ser
1
+
His
1
OH
NH; и N 
6.5
NH+
Lys
1
NH2  NH3+ 10.5
Arg
1
HNC(NH2)2+ 12.5
- - -
Thr
2
OH
+
Ile
2
Val
2
Leu
1
Met
1
Phe
1
Tyr
1
OH  O-
10.1
Cys
1
SH  S-
9.2
Trp
1
NH


-
- - -
+
-
-
+
- +
+
-
+
+
+ + + + +
+
+
+
+
+
-
-
+
+
+
+
+
-
+ +
+
S-S
-
-
-
+
+
-
+
+
+
+
Примечания. К "структурным свойствам" отнесена тенденция быть в -спирали (), и
особо — в ее N- и С-концевых витках, а также — непосредственно перед N- и за Сконцом спирали; тенденция быть в -структуре; тенденция быть в нерегулярных
структурах, т.е. "петлях" (включая сюда и -изгибы цепи); и, наконец, — тенденция быть
в гидрофобном ядре глобулы, а не на ее поверхности. Тенденция "быть" отмечена значком
"+", "не быть " — значком "-". Жирным значком отмечена особо сильная тенденция.
число не-водородных  атомов в боковой цепи;
Карта Рамачандрана
Области предпочтительных значений ,  дипептида
- собственный потенциал вращения вокруг связей N-Ca, Ca-C’
- sp3—sp2 - шестикратный потенциал, барьер ~ 1 kcal/mol,
- почти свободное вращение при Т=300 К,
График энергии внутреннего вращения вокруг вокруг связей N-Ca, Ca-C’
- оптимальные
углы
Рис. 8-2.
Глицин
область разрешенных значений , 
- взаимодействия атомов основной цепи
- взаимодействия атомов ближних по цепи валентных связей сильно
ограничивают область разрешенных значений , 
Рис. 8-3. Карта запрещенных
и разрешенных
при вращении по углам  в белковой цепи.
конформаций глицина (Gly)
Взаимодействия атомов боковой цепи – основная цепь
= дополнительные ограничения
У глицина нет бокового радикала. У всех остальных аминокислотных
остатков он есть, и столкновение этого радикала (точнее, его
ближайшего к главной цепи С-атома) с C’ -атомом вырезает
запрещенную область по углу , а с N-атомом — запрещенную область
по углу  .
Рис.8-4. Карта разрешенных
углам в белковой цепи;
конформаций аланина (Ala) при вращении по
— области, разрешенные лишь для
глицина;
— области, запрещенные для всех остатков взаимодействиями
Экспериментальная карта
Рамачандрана частот встречаемости
углов ,  в белках PDB
Рис. 8-5.
Уровни организации структуры белка
Рис. 8-6.
Первичная – последовательность аминокислотных остатков
Вторичная – регулярные структуры основной цепи
Третичная – пространственная 3-Д структура полипептидной цепи –
мономерный белок
Четвертичная - пространственная структура упаковки субъединиц
Типы вторичных структур полипептидной цепи
Рис.8-7.Конформации различных вторичных структур на фоне карты
разрешенных и запрещенных конформаций аминокислотных остатков. 27R,
27L: правая и левая спираль 27; 310R, 310L: правая и левая спираль 310; R, L —
правая и левая -спираль; R, L — правая и левая -спираль.  — структура (подробности см. на Рис.7-8б). Р — спираль Poly(Pro)II.
—
конформации, разрешенные для аланина (Ala); — области, разрешенные
лишь для глицина, но не для аланина и других остатков;
— области,
запрещенные для всех остатков.
Спирали
Важнейшие спирали в полипептидной цепи держатся водородными связями ,
С=О группы остова связаны в направлении С-конца цепи с H-N группами.
Возможны спирали, стянутые Н-связями 27, 310, 413 (обычно именуемая ) и
516 (она же ).
название "27" — "2" означает связь со 2-м по цепи остатком
"7" — число атомов в цикле (O......H-N-C'-C-N-C'), замыкаемом этой связью.
Альфа спираль
Рис. 8-8.
Рис.8-9.
Дипольные моменты пептидных групп в альфа спирали параллелны
Рис. 8-10.
Цепочка диполей  Макродиполь
С - конец спирали эффективно = отрицательно заряжен
N - конец положительно заряжен
Вета цепирегулярные структуры без водородных связей вдоль цепи, но
соединенные водородными связями между собой
параллельная ( ), анти параллельная ( ) и смешанная, состоящая из
 и
Пространственная структура ( ) антипараллельного листа
Рис. 8-11
-лист имеет левое скручивание, если смотреть вдоль Н-связей, с края
-листа
Рис.8-12. (а) L - Скрученность -листа. -тяжи изображены стрелками, водородные
связи между ними — голубыми линиями. (б) Схематическое изображение одного
витка -тяжа, вид с торца. Кружки — боковые группы; их номера возрастают по
мере удаления от наблюдателя. Голубые линии укаывают направление С=О групп,
завязывающих Н-связи в листе, большей стрелкой — поворот -тяжа при
приближении к нам на один остаток, меньшей стрелкой — поворот направленных в
одну сторону водородных связей при приближении к нам на два остатка.
Реверсивные повороты Поворот основной цепи на 180
Рис.8-13. Петли минимальной длины – реверсивные повороты
Реверсивные повороты -
Рис. 8-14. Реверсивные повороты; (в) – углы ,  в реверсивных поворотах типов I, II;
III – тип – искаженный тип I.
Регулярные вторичные структуры –
- основное свойство = максимальное число Н-связей
Таблица 8-3. Основные геометрические параметры наиболее
распространенных в белках вторичных структур.
Структура
Hсвязь
Остаток/виток
Смещение/ос
таток ( )


Спираль
R
CO0—
HN+4
+3.6
1.5
-600
-450
Спираль
(310)R
CO0—
HN+3
+3
2.0
-500
-250
Лист 
меж
цепей*
-2.3
3.4
-1350
+1500
Лист 
меж
цепей*
-2.3
3.2
-1200
+1350
нет
-3
3.0
-800
+1550
Спираль
Poly(Pro)
II
Расстояние между тяжами в -листе: 4.8
"+" означает правую спираль, "-" — левую.
Неупорядоченное состояние
- значения ,  вне области регулярных вторичных структур
*
- стабилизация за счет взаимодействий боковых групп
Относительное содержание разных типов вторичных структур –
глобулярные белки
Альфа спирали - 35%
длина в глоб. белк. 5-15 остатков 15 А
Вета цепи
- 15%
5-7 остатков 15-20 А
Реверсивные повороты – 25 %
Неупорядоченное состояние – 25%
Корреляции остаток – тип вторичной структуры
Рис. 8-15
Общая характеристика организации структуры глобулярных белков
- водорастворимые белки
- размер 100 и более аминокислотных остатков
- непрерывные участки цепи в 50-150 остатков уложены в компактную
глобулу, домен
- крупные белки состоят из нескольких доменов
- белковая цепь упакована в пространстве так же плотно как и
молекулярный кристалл, нет пустого пространства,
- коэффициент упаковки = отношение объема ван дер ваальсовых сфер
атомов/ полный объем белка ~ 0.65-0.75
строение небольшого белка при разной степени схематизации
Рис.8-16. — -субъединица интерлейкина 8
Глобулярные домены в -кристаллине
Рис. 8-17. Цветная кодировка трассирует ход цепи (от синего на N-конце цепи к зеленому
в середине и к желтому и красному на С-конце).
Строение каркасов доменов – классы
- "чистые" ,
- "чистые" ,
- "смешанные" /, & и +
1) архитектура упаковки - и - структурных сегментов в
компактную глобулу -
Фолд
Мотив
Упаковка
Рис.8-18. Упрощенные представления белковых структур. (а) Детальная
укладка ("fold"), описывающая размещение вторичных структур в цепи белка
и в пространстве. (б) Мотив укладки белковой цепи ("folding pattern"):
опущены детали хода петель, размера и точной ориентации -спиралей
(изображенных в виде параллельных цилиндров) и -тяжей (изображенных в
виде стрелок). (в) Упаковка: штабель ("stack") структурных сегментов: петли
удалены, опущены размер, ориентация и направление -спиралей и -тяжей
(изображенных поэтому в виде лент).
Фолд, мотив, укладка - сверхвторичные ( супервторичные) структуры
- характерные, часто встречающиеся в белках структуры сложенные из
соседних по цепи элементов  (и/или ) структуры, часто называют
"супервторичными" структурами
-структурные домены
- участки цепи собраны обычно в два, реже — в несколько -листов,
уложенных друг на друга
- в -белках преобладает антипараллельная -структура.
Бета лист - -лист
Пространственная структура ( ) антипараллельного листа
Рис. 8-20.
-лист имеет левое скручивание, если смотреть с края -листа.
Широкий -лист из нескольких -цепей скручивается в -цилиндр
Рис.8-21. Ретинол-связывающий белок: пример цилиндрически упакованного -листа. Ход
цепи напоминает узор "меандр" - топологическая схема — плоская развертка цилиндра. На этой схеме -тяжи изображены стрелками. "Меандр" получается потому, что
соседние по цепи -тяжи являются соседями на поверхности цилиндра; они связаны
водородными связями (связь, существующая между крайними -тяжами, изображена на
плоской развертке маленькими черточками).
Упаковка -листов
два основных типа упаковки -листов:
- продольная – плоскость – плоскость
- ортогональная – бочонок или цилиндр
Рис. 8-22. Ортогональная (а) и продольная (б) упаковка -листов. Вид сверху и с торца. На
виде сверху — приближение -тяжа к читателю показано его (тяжа) расширением.
Штрихпунктир — ось ортогонального -бочонка. На оси находятся оба "открытых" угла
этой упаковки. Здесь -листы наиболее раздвинуты. В двух других, "закрытых" углах
листы наиболее сближены; здесь цепь изгибается и переходит из слоя в слой. При
ортогональной упаковке гидрофобное ядро имеет приблизительно цилиндрическую
форму. В продольной упаковке, наоборот, ядро плоское, расстояние между скрученными
листами меняется мало, а поворот одного листа относительно другого позволяет
гидрофобным поверхностям лежащих друг над другом скрученных -тяжей соприкасаться
на большой длине. Картинка, с небольшими изменениями, взята из C.Chothia &
A.V.Finkelstein, Annu. Rev. Biochem. (1990) 59:1007-1039.
В обоих случаях -листы упакованы "лицом к лицу", и гидрофобное ядро домена
заключено между ними, но в первом случае листы повернуты друг относительно друга
слабо — на угол около 300 (плюс-минус 10150), а во втором — сильно, на 900 (плюсминус 10150); углы, лежащие вне этих двух диапазонов (в частности, углы около +300),
наблюдаются редко.
Мотив укладки цепи в сериновой протеазе (а) и в кислой протеазе (б).
Рис.8-23. Мотив укладки цепи в сериновой протеазе (а) и в кислой протеазе (б). В
последнем белке петли укорочены и изображены довольно схематично. Показана схема
ортогональной упаковки -листов в этих белках, а также топологические схемы -листов.
Эти листы согнуты (при изгибе края листов уходят от читателя и смыкаются;
возникающая при этом водородная связь краев -листа изображена черточками); места
перегибов -тяжей соответствуют их более светлым частям. "Греческий ключ" в трипсине
подчеркнут.
Многообразие упаковок -цепей
Рис. Антипараллельные -шпильки.
Упаковки 4-х -цепей
меандр
греческий ключ
Рис.8-24. Возможные топологии листов из четырех -участков. Показаны только листы,
где каждые два подряд (в цепи) идущих -участка направлены в противоположные
стороны. Из этих топологий часто встречаются только "меандр" (подчеркнут одной
чертой) и два (подчеркнуты двойной чертой) "греческих ключа" (они различаются только
направлением поворота цепи от шпильки из тяжей 1,4 к шпильке из тяжей 3,4).
"abcd" структуры Ефимова - замещение цепей
одна из цепей вставляется в другой лист
Рис.8-25. Различные пространственные "abcd" структуры Ефимова с топологией
греческого ключа. Обратите внимание на правый ход суперспирали, состоящей из двух
параллельных -тяжей одного -листа и лежащего между ними в цепи -тяжа другого
листа (т.е. на суперспираль из -тяжей b-c-d на втором слева внизу и на суперспираль из
тяжей a-b-c на второй справа внизу схемах). Именно такое — "правовинтовое" —
соединение параллельных -тяжей одного -листа типично для белков;
При этом на самом деле второй и/или третий -тяжи "ключа" часто лежат не в том же, а в
другом -листе. При этом в пространстве образуются различные структуры — так
называемые "abcd" структуры Ефимова — с одной и той же топологией греческого
ключа
Длинный бета-лист свернутый в цилиндр
Рис.8-26. Порин. (а) Вид вдоль плоскости мембраны (расположение липидов в ней
показано очень схематично). (б) Вид поперек плоскости мембраны
-белки
-суперспирали – жгут из двух или трех длинных альфа спиралей
- перевитые правые -спирали в комплексе лежат параллельно друг другу и
слегка закручены одна вокруг другой так, что каждая из них образует левую
суперспираль.
Эффективная укладка боковых групп – движущая сила
Рис.8-27. Взаимодействие -спиралей в двойной (а) и тройной (б)
суперспирали (вид с торца спирали). В двойной суперспирали
непосредственно контактируют с другой спиралью только остатки а и d, а в
тройной — еще и остатки e и g (хотя и более слабо)
Типичная первичная структура суперспиралей
В перевитых спиралях периодичность — 7 остатков на два витка -спирали,
т.е. 3.5 остатка на виток.
Типичная первичная структура при этом выглядит, как на Рис.
гидрофобные остатки
остатки - a, d
- двойная суперспираль
остатки - a, d, e, g
- тройная суперспираль
альфа – спиральные белки из длинных спиралей
Рис.8-28. -спиральные белки: цитохром c', миогемэритрин и белок оболочки вируса
табачной мозаики Бактериородопсин в мембране
Рис.8-29. (голубым цветом) молекула ретинола, прикрепленная внутри
бактериородопсина.
Укладка коротких алфа-спиралей
- короткая альфа спираль - длина около 20 , диаметр 10
- характерна квазисферическая укладка спиралей вокруг
"квазишарового" гидрофобного ядра, сложенного из боковых групп
этих спиралей
Рис. 8-30. Структура глобина: скрещенные слои по три -спирали в каждом. Спирали A, E
и F (они занумерованы буквами по порядку нахождения в цепи) находятся в верхнем слое,
спирали H, G и B — в нижнем. Короткие (из 1 — 2 витков каждая) спирали С и D не
изображены, так как они не консервативны в глобинах. В щели верхнего слоя находится
гем. Такие "скрещенные слои" напоминают ортогональную упаковку -листов.
Типичная упаковка спиралей в глобулярном белке
большинство межспиральных контактов имеет угол около 40 — 600
Модель –
Размещение -спиралей на ребрах квазисферического многогранника,
Рис. 8-32. Типичная упаковка спиралей в глобулярном белке: N-концевой домен
актинидина (ход петель прослежен очень грубо).
Частично заполненный октаэдр из альфа спиралей, моделирующий N-концевой домен
актинидина. Стрелки указывают ход соединяющих -спирали петель
Укладка большего числа спиралей
- большие многогранники
Рис.8-33. Квазисферические многогранники (а), описывающие компактные
укладки трех, четырех, пяти и шести спиралей.
Большее число спиралей не может уложиться вокруг округлого ядра. Каждый
многогранник описывает несколько типов укладок, т.е. типов "штабелей" спиралей,
соответствующих различным размещениям осей спиралей на его ребрах. Таких укладок
— две для трехспирального комплекса [(б): лево-, и (в): правозакрученный пучок, десять
— для четырехспирального, десять — для пятиспирального, и восемь — для
шестиспирального комплекса. Комплексы строятся размещением спиралей — всеми
возможными способами — на ребрах многогранника так, чтобы каждая вершина
многогранника соответствовала бы одному концу одной спирали. Те упаковки, где
межспиральные углы способствуют плотному контакту спиралей — встречаются в
белках чаще, чем прочие
в наблюдаемых архитектурах -спиральных белков вдоль ребер квазисферических
многогранников идут не только спирали, но и — как правило — соединяющие их
нерегулярные петли
"Смешанные" белки
из -листов и -спиралей
- два характерных мотива строения / белков:
- / цилиндр, где -цилиндр лежит внутри цилиндра, сложенного из спиралей – а)
- "укладка Россманна", где плоский -слой лежит между
комплементарно ему скрученными слоями -спиралей – б)
Рис. 8-34
Рис. 8-35. Типичные мотивы строения / белков и их упрощенные модели (вид на
модели — с торца -слоя): "/ цилиндр" в триозофосфатизомеразе (а); "укладка
Россманна" в NAD-связывающем домене малатдегидрогеназы (б).
свойства строения / белков
- характерна слоистая структура, причем
- -спирали и -участки не могут лежать в одном слое — это
привело бы к энергетически невыгодной дегидратации
водородных связей на краю -листа
/ доменах -структура параллельна, и -спирали также
параллельны друг другу (и антипараллельны  участкам), а
характерное чередование  и  участков в цепи имеет вид
...
- / домены обычно имеют два гидрофобных ядра: в укладке Россманна
между -листом и каждым из слоев спиралей; в / цилиндре внутри
 цилиндра и цилиндра.
+ домены
- выделяются два класса:
- -складки напоминают / белки тем, что в них слой спиралей лежит на -листе. Они напоминают / белки также
регулярным (но с иным, чем в / белках) чередованием  и 
участков в цепи и в пространстве :
 или ...
четное число  цепей - цепи антипараллельны
Рис.8-36. Один из типичных мотивов строения  белка: " складка" (-plait) в
рибосомальном белке S6
"собственно" + домены
не имеют чередования ,  структур
-структура "отделена" от -структуры
Рис.8-38. Характерный мотив строения  белков: нуклеаза стафиллококка.
"Собственно"  белки отличаются менее регулярным, чем в  белках или складках, чередованием вторичных структур в цепи (в данном случае: ). Мотив
укладки цепи, наблюдаемый в -домене нуклеазы, называется ("OB-fold", то есть
"Oligonucleotide-Binding fold").
Справа помещена схема строения этого, часто встречающегося в разных белках, ОБдомена (вид сверху на ортогональную упаковку -участков). -тяжи занумерованы
цифрами.
Число фолдов
- конечно ~ 1000
- известно ~ 750
Интернет ресурсы
- классификатор SCOP (Structural Classification of Protein),
- классификатором САТН (Class - Architecture - Topology – Homology