Белки являются цепями аминокислот, соединенных пептидными связями. После синтеза белок складывается в трехмерную конформацию, которая имеет решающее значение для его биологической функции. Взаимодействие между составными аминокислотами направляет сворачивание белка, и, следовательно, структура белка в первую очередь зависит от его аминокислотной последовательности.
Белки выполняют широкий спектр биологических функций, таких как катализация химических реакций, обеспечение иммунологической защиты, хранение, транспорт, сотовую связь, движение и структурную поддержку. Функция белка в основном зависит от его способности распознавать и связывать другие молекулы, аналогично замку и ключу. Поэтому специфическая активность каждого белка зависит от его уникальной трехмерной архитектуры.
Для того, чтобы белок был функциональным, он должен точно складываться. Большинство белков проходят через несколько промежуточных форм, прежде чем сложиться в наиболее стабильную, биологически активную структуру. Неправильное складывание белков пагубно сказывается на общем функционировании клетки. У людей наблюдается несколько заболеваний из-за накопления неправильно сложенных или развернутых белков. К ним относятся муковисцидоз, болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, ALS, и болезнь Крейтцфельдта-Якоба.
Белки состоит из одной или несколько цепей аминокислот, называемых полипептидами. Полипептид синтезируется как линейная цепь, которая быстро складывается на себя, чтобы сформировать трехмерную структуру. Термин полипептид и белок иногда используются взаимозаменяемо, но чаще всего, сложенный полипептид, который может выполнять биологическую функцию, называется белком. Белковая структура обычно описывается на четырех уровнях: первичном, вторичном, третичном и четвертичном. Большинство полипептидов складываются в общие компактные, шаровые третичные структуры, такие как гемоглобин, кислородо-несущий белок в крови. Некоторые белки, такие как кератины, могут образовывать длинные волокна, которые обычно встречаются в волосах и ногтях.
Последовательность аминокислот в цепочке полипептида является основным определяющим фактором его структуры. Аминокислотная последовательность определяет тип и расположение вторичных структур. Кроме того, общая третичная структура белка в основном стабилизируется химическими связями между аминокислотными боковыми цепями – уникальными химическими группами, которые отличают аминокислоты друг от друга. Эти боковые цепи либо положительно, либо отрицательно заряжены, либо они – полярные незаряженные или неполярные.
Аминокислоты имеют уникальные физические и химические характеристики в зависимости от их групп боковой цепи. Например, полярные и заряженные аминокислоты взаимодействуют с водой, образуют водородные связи и называются гидрофильными;в то время как неполярные аминокислоты не взаимодействуют с водой и называются гидрофобными. Поэтому, когда белок складывается в клеточной среде, боковые цепи гидрофобных аминокислот упаковываются в ядро белка вдали от водной среды, в то время как гидрофильные аминокислоты боковых цепей взаимодействуют на поверхности белка.
Плотно упакованные гидрофобные аминокислоты в белковом ядре приводят к образованию слабых взаимодействий Ван дер Ваальса между группами боковых цепей. Наличие этих сил Ван дер Ваальса придает дополнительную стабильность сложенному белку. Полярные аминокислоты, выставленные на поверхности белка, могут свободно образовывать водородные связи с молекулами воды или другими полярными аминокислотными боковыми цепями. Положительно и отрицательно заряженные аминокислоты также присутствуют на внешней стороне белка, где они образуют ионные связи с другими близлежащими, противоположно заряженными аминокислотами.
Дисульфидные связи образуются между двумя группами сульфгидрила, или SH, на аминокислотном цистеине. Это очень надежное взаимодействие, которое действует как подкрепление на сложенный белок. Наличие дисульфидных связей блокирует сложенный белок в его наиболее благоприятной трехмерной конформации. Правильное складывание белка также зависит от других факторов клеточной среды, таких как рН, концентрация соли, температура и т.д. Изменение физических и химических условий в белковой среде влияет на химические взаимодействия, удерживающие белок вместе, и может привести к тому, что белок неправильно свернется или развернется и потеряет свою биологическую функцию – процесс, известный как денатурация белка.
