Белки - полимерные молекулы, в которых мономерами служат аминокислоты. В составе белков в организме человека встречают только 20 ?-аминокислот. Одни и те же аминокислоты присутствуют в различных по структуре и функциям белках. Индивидуальность белковых молекул определяется порядком чередования аминокислот в белке. Аминокислоты можно рассматривать как буквы алфавита, при помощи которых, как в слове, записывается информация. Слово несёт информацию, например о предмете или действии, а последовательность аминокислот в белке несёт информацию о построении пространственной структуры и функции данного белка.

Общая структурная особенность аминокислот - наличие амино- и карбоксильной групп, соединённых с одним и тем же?-углеродным атомом. R - радикал аминокислот - в простейшем случае представлен атомом водорода (глицин), но может иметь и более сложное строение.

Все 20 аминокислот в организме человека различаются по строению, размерам и физико-химическим свойствам радикалов, присоединённых к?-углеродному атому.

По химическому строению аминокислоты можно разделить на алифатические, ароматические и гетероциклические (табл. 1-1).

Аминокислоты могут ковалентно связываться друг с другом с помощью пептидных связей. Пептидная связь образуется между а-карбоксильной группой одной аминокислоты и?-аминогруппой другой, т.е. является амидной связью. При этом происходит отщепление молекулы воды.

Пептидные цепи содержат десятки, сотни и тысячи аминокислотных остатков, соединённых прочными пептидными связями. За счёт внутримолекулярных взаимодействий белки образуют определённую гфостранственную структуру, называемую "конформация белков". Линейная последовательность аминокислот в белке содержит информацию о построении трёхмерной пространственной структуры. Различают 4 уровня структурной организации белков, называемых первичной, вторичной, третичной и четвертичной структурами (рис. 1-3). Существуют общие правила, по которым идёт формирование пространственных структур белков.

Аминокислотные остатки в пептидной цепи белков чередуются не случайным образом, а расположены в определённом порядке. Линейную последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи называют "первичная структура белка". Линейные полипептидные цепи индивидуальных белков за счёт взаимодействия функциональных групп аминокислот приобретают определённую пространственную трёхмерную структуру, называемую"конформация" . Все молекулы индивидуальных белков (т.е. имеющих одинаковую первичную структуру) образуют в растворе одинаковую конформацию. Следовательно, вся информация, необходимая для формирования пространственных структур, находится в первичной структуре белков.

В белках различают 2 основных типа конформации полипептидных цепей: вторичную и третичную структуры.

1. Вторичная структура белков

Вторичная структура белков - пространственная структура, образующаяся в результате взаимодействий между функциональными группами, входящими в состав пептидного остова. При этом пептидные цепи могут приобретать регулярные структуры двух типов: ?-спираль и?-структура.

?-Спираль

В данном типе структуры пептидный остов закручивается в виде спирали за счёт образования водородных связей между атомами кислорода карбонильных групп и атомами азота аминогрупп, входящих в состав пептидных групп через 4 аминокислотных остатка. Водородные связи ориентированы вдоль оси спирали (рис. 1-5). На один виток?-спирали приходится 3,6 аминокислотных остатка.

В образовании водородных связей участвуют практически все атомы кислорода и водорода пептидных групп. В результате?-спираль "стягивается" множеством водородных связей. Несмотря на то, что данные связи относят к разряду слабых, их количество обеспечивает максимально возможную стабильность?-спирали. Так как все гидрофильные группы пептидного остова обычно участвуют в образовании водородных связей, гидрофильность (т.е. способность образовывать водородные связи с водой) ?-спиралей уменьшается, а их гидрофобность увеличивается.

Спиральная структура - наиболее устойчивая конформация пептидного остова, отвечающая минимуму свободной энергии. В результате образования?-спиралей полипептидная цепь укорачивается, но если создать условия для разрыва водородных связей, полипептидная цепь вновь удлинится.

Когда водородные связи образуются между атомами пептидного остова различных полипептидных цепей, их называют межцепочечными связями. Водородные связи, возникающие между линейными участками внутри одной полипептидной цепи, называют внутрицепочечными. В?-структурах водородные связи расположены перпендикулярно полипептидной цепи.

2. Третичная структура белков

Третичная структура белков - трёхмерная пространственная структура, образующаяся за счёт взаимодействий между радикалами аминокислот, которые могут располагаться на значительном расстоянии друг от друга в полипептидной цепи.

Связи, участвующие в формировании третичной структуры белков

Гидрофобные взаимодействия

При укладке полипептидная цепь белка стремится принять энергетически выгодную форму, характеризующуюся минимумом свободной энергии. Поэтому гидрофобные радикалы аминокислот стремятся к объединению внутри глобулярной структуры растворимых в воде белков. Между ними возникают так называемые гидрофобные взаимодействия, а также силы ван дер Ваальса между близко прилегающими друг к другу атомами. В результате внутри белковой глобулы формируетсягидрофобное ядро. Гидрофильные группы пептидного остова при формировании вторичной структуры образуют множество водородных связей, благодаря чему исключается связывание с ними воды и разрушение внутренней, плотной структуры белка.

Ионные и водородные связи

Гидрофильные радикалы аминокислот стремятся образовать водородные связи с водой и поэтому в основном располагаются на поверхности белковой молекулы.

Все гидрофильные группы радикалов аминокислот, оказавшиеся внутри гидрофобного ядра, взаимодействуют друг с другом с помощью ионных и водородных связей (рис. 1-11).

Ионные связи могут возникать между отрицательно заряженными (анионными) карбоксильными группами радикалов аспарагиновой и глутаминовой кислот и положительно заряженными (катионными) группами радикалов лизина, аргинина или гистидина.

Водородные связи возникают между гидрофильными незаряженными группами (такими как -ОН, -CONH 2 , SH-группы) и любыми другими гидрофильными группами. Белки, функционирующие в неполярном (ли-пидном) окружении, например белки мембран, имеют обратное устройство: гидрофильные радикалы аминокислот расположены внутри белка, в то время как гидрофобные аминокислоты локализованы на поверхности молекулы и контактируют с неполярным окружением. В каждом случае радикалы аминокислот занимают наиболее выгодное биоэнергетическое положение.

Ковалентные связи

Третичную структуру некоторых белков стабилизируют дисульфидные связи, образующиеся за счёт взаимодействия SH-групп двух остатков цистеина. Эти два остатка цистеина могут находиться далеко друг от друга в линейной первичной структуре белка, но при формировании третичной структуры они сближаются и образуют прочное ковалентное связывание радикалов.

Четвертичная структура белков

Многие белки содержат в своём составе только одну полипептидную цепь. Такие белки называют мономерами. К мономерным относят и белки, состоящие из нескольких цепей, но соединённых ковалентно, например дисульфидными связями (поэтому инсулин следует рассматривать как мономерный белок).

В то же время существуют белки, состоящие из двух и более полипептидных цепей. После формирования трёхмерной структуры каждой полипептидной цепи они объединяются с помощью тех же слабых взаимодействий, которые участвовали в образовании третичной структуры: гидрофобных, ионных, водородных.

Количество и взаиморасположение полипептидных цепей в пространстве называют "четвертичная структура белков". Отдельные полипептидные цепи в таком белке носят название протомеров, или субъединиц. Белок, содержащий в своём составе несколько протомеров, называют олигомерным.

Все белки с одинаковой первичной структурой, находящиеся в одинаковых условиях, приобретают одинаковую, характерную для данного индивидуального белка конформацию, определяющую его специфическую функцию. Функционально активную конформацию белка называют "нативная структура".

При различных заболеваниях происходит изменение белкового состава тканей. Эти изменения называются протеинопатиями. Различают наследственные и приобретённые протеинопатии. Наследственные протеинопатии развиваются в результате повреждений в генетическом аппарате данного индивидуума. Какой-либо белок не синтезируется вовсе или синтезируется, но его первичная структура изменена. Примеры наследственных протеинопатии - гемоглобинопатии, рассмотренные выше. В зависимости от роли дефектного белка в жизнедеятельности организма, от степени нарушения конформации и функции белков, от гомо- или гетерозиготности индивидуума по этому белку наследственные протеинопатии могут вызывать болезни, протекающие с различной степенью тяжести, вплоть до летального исхода ещё до рождения или в первые месяцы после рождения.

полиморфизм белков - существование разных форм белка, выполняющих одинаковые или очень сходные функции (изобелки). Чаще всего изучают полиморфизм ферментов (т. е. наличие изофер-ментов), поскольку их гораздо легче обнаружить, чем другие белки, по катализируемой ими реакции.

2 .Физико-химические свойства белков

Индивидуальные белки различаются по своим физико-химическим свойствам: форме молекул, молекулярной массе, суммарному заряду

молекулы, соотношению полярных и неполярных групп на поверхности нативной молекулы белка, растворимости белков, а также степени устойчивости к воздействию денатурирующих агентов.

1. Различия белков по форме молекул

Как уже говорилось выше, по форме молекул белки делят на глобулярные и фибриллярные. Глобулярные белки имеют более компактную структуру, их гидрофобные радикалы в большинстве своём спрятаны в гидрофобное ядро, и они значительно лучше растворимы в жидкостях организма, чем фибриллярные белки (исключение составляют мембранные белки).

2. Различия белков по молекулярной массе

Белки - высокомолекулярные соединения, но могут сильно отличаться по молекулярной массе, которая колеблется от 6000 до 1 000 000 Д и выше. Молекулярная масса белка зависит от количества аминокислотных остатков в полипептидной цепи, а для олигомерных белков - и от количества входящих в него протомеров (или субъединиц).

3. Суммарный заряд белков

Белки имеют в своём составе радикалы лизина, аргинина, гистидина, глутаминовой и аспарагиновой кислот, содержащие функциональные группы, способные к ионизации (ионогенные группы). Кроме того, на N- и С-концах полипептидных цепей имеются α-амино- и α-карбоксильная группы, также способные к ионизации. Суммарный заряд белковой молекулы зависит от соотношения ионизированных анионных радикалов Глу и Асп и катионных радикалов Лиз, Apr и Гис.

Степень ионизации функциональных групп этих радикалов зависит от рН среды. При рН раствора около 7 все ионогенные группы белка находятся в ионизированном состоянии. В кислой среде увеличение концентрации протонов (Н+) приводит к подавлению диссоциации карбоксильных групп и уменьшению отрицательного заряда белков: -СОО - + Н + → -СООН. В щелочной среде связывание избытка ОН" с протонами, образующимися при диссоциации NH 3 + с образованием воды, приводит к уменьшению положительного заряда белков:

NH 3 + +ОН - → -NH 2 + H 2 O.

Значение рН, при котором белок приобретает суммарный нулевой заряд, называют "изоэлектрическая точка" и обозначают как pI. В изоэлектрической точке количество положительно и отрицательно заряженных групп белка одинаково, т.е. белок находится в изоэлектрическом состоянии.

Так как большинство белков в клетке имеет в своём составе больше анионогенных групп (-СОО -), то изоэлектрическая точка этих белков лежит в слабокислой среде. Изоэлектрическая точка белков, в составе которых преобладают катионогенные группы, находится в щелочной среде. Наиболее яркий пример таких внутриклеточных белков, содержащих много аргинина и лизина, - гистоны, входящие в состав хроматина.

Белки, имеющие суммарный положительный или отрицательный заряд, лучше растворимы, чем белки, находящиеся в изоэлектрической точке. Суммарный заряд увеличивает количество диполей воды, способных связываться с белковой молекулой, и препятствует контакту одноимённо заряженных молекул, в результате растворимость белков увеличивается. Заряженные белки могут двигаться в электрическом поле: анионные белки, имеющие отрицательный заряд, будут двигаться к положительно заряженному аноду (+), а катионные белки - к отрицательно заряженному катоду (-). Белки, находящиеся в изоэлектрическом состоянии, не перемещаются в электрическом поле.

4. Соотношение полярных и неполярных групп на поверхности нативных молекул белков

На поверхности большинства внутриклеточных белков преобладают полярные радикалы, однако соотношение полярных и неполярных групп отлично для разных индивидуальных белков. Так, протомеры олигомерных белков в области контактов друг с другом часто содержат гидрофобные радикалы. Поверхности белков, функционирующих в составе мембран или прикрепляющиеся к ним в процессе функционирования, также обогащены гидрофобными радикалами. Такие белки лучше растворимы в липидах, чем в воде.

Пространственная структура зависит не от длины полипептидной цепи, а от последовательности аминокислотных остатков, специфичной для каждого белка, а также от боковых радикалов, свойственных соответствующим амино-кислотам. Пространственную трехмерную структуру или конформацию белко-вых макромолекул образуют в первую очередь водородные связи, а также гидрофобные взаимодействия между неполярными боковыми радикалами аминокислот. Водородные связи играют огромную роль в формировании и поддержании пространственной структуры белковой макромолекулы. Что касается гидрофобных взаимодействий, то они возникают в резуль-тате контакта между неполярными радикалами, неспособными разорвать во-дородные связи между молекулами воды, которая вытесняется на поверхность белковой глобулы. По мере синтеза белка неполярные химические группиров-ки собираются внутри глобулы, а полярные вытесняются на ее поверхность. Таким образом, белковая молекула может быть нейтральной, заряженной по-ложительно или же отрицательно в зависимости от рН растворителя и ионо-генных групп в белке. К слабым взаимодействиям относят также ионные связи и ван-дер-ваальсовы взаимодействия. Кроме того, конформация белков под-держивается ковалентными связями S — S , образующимися между двумя остат-ками цистеина. В результате гидрофобных и гидрофильных взаимодействий молекула белка спонтанно принимает од-ну или несколько наиболее термодинами-чески выгодных конформаций, причем, если в результате каких-либо внешних воздействий нативная конформация нару-шается, возможно полное или почти пол-ное ее восстановление. Таким образом, конформация белков представляет собой трехмерную структуру, причем в результате ее образования мно-гие атомы, находящиеся на удаленных участках полипептидной цепи, сближаются и, воздействуя друг на друга, приоб-ретают новые свойства, отсутствующие у индивидуальных аминокислот или небольших полипептидов. Это так называемая третичная структура, характе-ризующаяся ориентацией полипептидных цепей в пространстве. Третичная структура глобулярных и фибриллярных белков существенно от-личается друг от друга. Принято форму белковой молекулы характеризовать таким показателем, как степень асимметрии (отношение длинной оси моле-кулы к короткой). У глобулярных белков степень асимметрии равна 3—5, что касается фибриллярных белков, то эта величина у них гораздо больше (от 80 до 150). Гипотеза расплавленной глобулы. В рамках этой концепции выделяют не-сколько этапов самосборки белков. 1. В развернутой полипептидной цепи с помощью водородных связей и гидрофобныхвзаимодействийобразуютсяотдельныеучасткивторичной структуры, служащие как бы затравками для формирования полных вторич-ных и супервторичных структур. 2. Когда число этих участков достигает определенной пороговой величины, происходит переориентация боковых радикалов и переход полипептидной цепи в новую более компактную форму, причем число нековалентных связей значительно увеличивается. Характерной особенностью этой стадии является образо-вание специфических контактов между ато-мами, находящимися на удаленных участ-ках полипептидной цепи, но оказавшихся сближенными в результате образования тре-тичной структуры. 3. На последнем этапе формируется нативная конформация белковой молекулы, связанная с замыканием дисульфидных свя-зей и окончательной стабилизацией белко-вой конформации. Вторым ферментом, катализирующим образование и изомеризацию дисульфидных связей, является протеиндисульфидизомераза, в функции которой входит также расщепление неправильно образованных ди-сульфидных мостиков. Кроме того, в клетках имеется ряд каталитически неактивных белков, ко-торые тем не менее вносят большой вклад в образование пространственных структур белков. Это так называемые шапироны и шапиронины Шапироны помогают правильной сборке трехмерной белковой конфор-мации путем образования обратимых нековалентных комплексов с частично свернутой полипептидной цепью, одновременно ингибируя неправильно об-разованные связи, ведущие к формированию функционально неактивных бел-ковых структур. В перечень функций, свойственных шапиронам, входит защи-та расплавленных глобул от агрегации, а также перенос новосинтезированных белков в различные локусы клеток. Шапироны преимущественно являются белками теплового шока, синтез которых резко усиливается при стрессовом температурном воздействии, поэтому их называют еще hsp (heat shock pro - teins ). Семейства этих белков найдены в микробных, растительных и живот-ных клетках. Классификация шапиронов основана на их молекулярной массе, которая варьирует от 10 до 90 kDa . В основном функции шапиронов и шапиронинов различаются, хотя и те, и другие являются белками-помощниками процессов образования трехмерной структуры белков. Шапироны удерживают новосинтезированную полипептидную цепь в развернутом состоянии, не да-вая ей свернуться в отличную от нативной форму, а шапиронины обеспечивают условия для единственно правильной, нативной структуры белка.

Белки, или протеины, в живых организмах образуются в основном из 20 важнейших природных ос-аминокислот в ре­зультате реакции поликонденсации в присутствии ферментов. Молекулярные массы белков варьируют в очень широких пределах: от 10 000 до 1 000 000 и выше.

Остов белковой цепи построен из аминокислотных фрагмен­тов, соединенных пептидной связью, и окружен разнообразными по химической природе заместителями. Пептидная связь в бел­ках устойчива при 37°С в нейтральной среде, но в кислой или щелочной среде может гидролизоваться. В организме гидролиз белка осуществляется под действием ферментов пептидаз и стро­го контролируется.

В природных белках широко варьируются длина и состав це­пи, что позволяет их молекулам даже в растворе принимать многообразные конформации.

Конформации макромолекулы белка в растворе представ­ляют собой различные ее пространственные формы, воз­никающие в результате поворотов отдельных молекуляр­ных фрагментов вокруг ординарных связей и стабили­зирующиеся за счет межмолекулярных связей между отдельными группами данной макромолекулы или молеку­лами веществ, находящимися в окружающем растворе.

Взаимные переходы конформации в основном осуществляют­ся без разрыва ковалентных связей в макромолекуле белка. При описании состава и конформации белка используют понятия пер­вичная, вторичная, третичная и четвертичная структуры.

Первичная структура специфична для индивидуального бел­ка и определяется составом и последовательностью аминокислот­ных остатков его цепи. При написании полных формул белков указывают порядок следования друг за другом аминокислотных остатков с помощью их трехбуквенных обозначений, начиная с N-конца цепи. Представление о первичной структуре миоглоби-на человека, содержащего в молекуле всего 153 аминокислот­ных остатка, дает следующая сокращенная запись:

Строго линейное расположение полипептидной цепи энергети­чески не выгодно, так как оно практически исключает взаимодей­ствия между различными радикалами аминокислотных остатков. В результате именно таких взаимодействий возникают дополни­тельные связи, которые стабилизируют ту или иную конформацию белковой цепи в пространстве. Это происходит за счет следующих взаимодействий: ион-ионного взаимодействия; водородной связи; гидратации полярных групп; дисульфидной связи; взаимодейст­вий Вандер-Ваальса между неполярными заместителями; гидро­фобных взаимодействий, в результате которых выталкиваются молекулы воды из зоны взаимодействия неполярных заместителей между собой, а также донорно-акцепторной связи между ионом комплексообразователя и лигандными группами белка (рис. 21.3).

Вторичная структура белка характеризует форму полипеп­тидной цепи, которая может быть спиралевидной (а-структура), складчатой (B-структура) или неупорядоченной (рис. 21.4). Основ­ную роль в формировании и поддержании вторичной структуры

Рис. 21.3. Типы взаимодействий между заместителями аминокислотных остатков белковой молекулы и водной средой

Рис. 21.4. Вторичная структура белков: а - а-структура (спиралевидная), б - Р-структура (складчатая) играют водородные связи, возникающие между группами хребта полипептидной цепи.

Пространственное расположение а-структуры можно предста­вить, вообразив, что полипептидная цепь обвивает цилиндр, а ее боковые радикалы направлены наружу. Витки спирали скрепле­ны между собой за счет водородных связей между пептидными группами, расположенными на соседних витках спирали. И хо­тя энергия этих связей невелика, большое их число приводит к значительному энергетическому эффекту, в результате чего a-структура достаточно устойчива и жестка.

Складчатая (3-структура формируется из большого числа па­раллельных вытянутых полипептидных цепей, связанных мно­жеством водородных связей между собой. Боковые радикалы R располагаются выше и ниже плоскости, проведенной через об­разовавшийся складчатый лист.

Неупорядоченная структура отдельных фрагментов белка ха­рактеризуется отсутствием пространственной упорядоченности в их расположении.

Какая вторичная структура белка реализуется - зависит от его аминокислотного состава, т. е. от первичной структуры. Для большинства природных белков характерно сосуществование в од­ной молекуле фрагментов с а-, р- и неупорядоченной структурой.

Невысокая прочность водородных связей позволяет сравни­тельно легко трансформировать вторичную структуру под внеш­ним воздействием: изменением температуры, состава или рН среды - или под механическим воздействием. В результате транс­формации вторичной структуры белка меняются его нативные, т. е. первичные от природы, свойства, а следовательно, его био­логические и физиологические функции.

Третичная структура белка определяет общее расположение его полипептидной цепи в пространстве. Полагают, что в фор­мировании и стабилизации третичной структуры белковой молекулы решающая роль принадлежит взаимодействию боковых заместителей аминокислот, которые сближаются в пространстве за счет изгибов полипептидной цепи. Виды этих взаимодейст­вий были показаны на рис. 21.3.

Третичная структура белковой молекулы возникает совершен­но автоматически в результате самоорганизации полипептидной цепи в соответствии с ее первичной и вторичной структурами, а также с составом окружающего раствора. Движущей силой, свер­тывающей полипептидную цепь белка в строго определенное трехмерное образование, является взаимодействие аминокислотных радикалов между собой и с молекулами окружающего рас­твора. При этом в водных растворах гидрофобные заместители вталкиваются внутрь белковой молекулы, образуя там сухие зо­ны ("жирные капли"), а гидрофильные - ориентируются в сто­рону водной среды. В некоторый момент достигается энергетиче­ски выгодная конформация молекулы для водной среды, и такая конформация белковой молекулы стабилизируется. При этом энтропия полипептидной цепи уменьшается, а энтропия системы в целом (полипептидная цепь + водная среда) остается постоян­ной или возрастает. Таким образом, с позиции II закона термо­динамики стабилизацию третичной структуры белка в водной среде обеспечивает стремление водного окружения молекулы белка перейти в состояние с максимальной энтропией. Пред­ставление о третичной структуре молекул белков миоглобина и лизоцима дает рис. 21.5. На рисунке заштрихованный диск в молекуле миоглобина - это гем, содержащий порфириновый лиганд и комплексообразователь катион Fe 2+ . В молекуле лизо­цима показаны S-S дисульфидные мостики, участвующие в стабилизации третичной структуры этого белка.

Рис. 21.5. Третичные структуры: миоглобина (а) и лизоцима (б)

Третичная структура белка, по сравнению с его вторичной структурой, еще более чувствительна к внешним воздействиям. Поэтому действие слабых окислителей, смена растворителей, из­менения ионной силы, рН среды и температуры нарушают третич­ную структуру белков, а следовательно, и их нативные свойства.

Четвертичная структура. Крупные молекулы белка с моле­кулярной массой более 60 000 обычно представляют собой агрега­ты, которые состоят из нескольких полипептидных цепей со срав­нительно небольшой молекулярной массой. При этом каждая цепь, сохраняя характерную для нее первичную, вторичную и третич­ную структуру, выступает в роли субъединицы этого агрегата, имеющего более высокий уровень пространственной организа­ции - четвертичную структуру. Такая молекулаагрегат пред­ставляет единое целое и выполняет биологическую функцию, не свойственную отдельно взятым субъединицам. Например, молеку­ла гемоглобина состоит из 4 субъединиц и для нее характерна значительно большая лабильность комплекса с кислородом, чем для отдельных ее субъединиц, что проявляется в свойствах миоглобина (разд. 10.4). Четвертичная структура белка закрепляется в основном за счет водородных связей и вандерваальсовых взаи­модействий, а иногда и дисульфидных связей между объединяе­мыми полипептидными цепями. Молекулярная масса белков с четвертичной структурой может достигать нескольких десятков миллионов. Четвертичная структура белков чувствительна к внеш­ним воздействиям и может ими нарушаться.

Форма белковых молекул. По форме молекулы нативные белки, т. е. проявляющие запрограммированные природой био­логические свойства, делят на фибриллярные и глобулярные. Молекулы фибриллярных белков обычно имеют B-структуру и волокнистое строение; они не растворяются в воде, так как на их поверхности много гидрофобных радикалов. Фибриллярными белками являются фиброны белка; кератин волос, кожи, ногтей; коллаген сухожилий и костной ткани; миозин мышечной ткани.

Глобулярные белки имеют цилиндрическую или сфериче­скую форму и размер 10 -9 -10 -7 м. Они обычно растворяются в воде, так как на их поверхности в основном находятся поляр­ные группы. Растворяясь в воде, глобулярные белки образуют лиофильные коллоидные растворы (разд. 27.3). Примеры гло­булярных белков: альбумин (яичный белок), миоглобин, почти все ферменты.

Жидкокристаллическое состояние. Молекулы белков - дос­таточно крупные образования и имеют фиксированную простран­ственную структуру, которая может быть анизотропна в целом, или могут быть анизотропны отдельные фрагменты пептидной цепи. Поэтому для многих белков характерно жидкокристалли­ческое состояние в определенном температурном интервале (термотропное жидкокристаллическое состояние) или образование одного или нескольких лиотропных жидкокристаллических со стояний с участием водной среды при определенной концентра­ции веществ в растворе. Образование жидкокристаллического состояния или переходы из одного жидкокристаллического со­стояния в другое, сопровождаемые изменением ориентации от­дельных фрагментов молекулы белка или изменением в согласо­ванности движения в системе, не требуют больших энергетиче­ских затрат, но могут привести к изменению его биологических функций. Например, повлиять на сократительную функцию мио­зина мышечных волокон, ферментативную активность, транспорт­ную функцию белков или их защитные свойства относительно коллоидных систем. Так, при определенных условиях молекулы гемоглобина переходят в жидкокристаллическое состояние. Это приводит к ряду патологических нарушений, проявляющихся в потере эластичности эритроцитами. В результате они закупори­вают капилляры, и транспорт кислорода нарушается. Образование камней в моче- или желчевыводящих системах связано с измене­нием не только концентрации, но и состояния защитных белков в этих системах. Способность белков и их растворов переходить в жидкокристаллическое состояние до последнего времени в био­логии, биохимии и медицине практически не рассматривалась, несмотря на чрезвычайную важность этих свойств с позиции жизнедеятельности любых живых систем.

Денатурация. Пространственная структура белков, как уже указывалось, может нарушаться под влиянием ряда факторов: повышение температуры, изменение рН и ионной силы среды, облучение УФ и рентгеновскими лучами, присутствие веществ, способных дегидратировать молекулу белка (этанол, ацетон, мо­чевина) или вступать во взаимодействие с его заместителями (окислители, восстановители, формальдегид, фенол) и даже при сильном механическом перемешивании растворов.

Денатурацией называется разрушение природной (нативной) конформации макромолекулы белка под внешним воздействием.

При денатурации разрушаются четвертичная, третичная и вто­ричная структуры, а первичная структура белка сохраняется. Поэтому денатурация может иметь обратимый (денатурация -ренатурация) и необратимый характер в зависимости от приро­ды белка и интенсивности внешнего воздействия. Необратимая денатурация обычно происходит при тепловом воздействии (на­пример, свертывание яичного альбумина при варке яиц). У денатурированных глобулярных белков уменьшается сродство к воде, так как на поверхности молекул оказывается много гидрофобных радикалов. Поэтому снижается их растворимость, появляются хлопья или осадок. Главное, при денатурации ут­рачивается биологическая активность и глобулярных, и фибриллярных белков, что наблюдается при многих способах их выделения (разд. 11.3). Во избежание денатурации белка и для сохранения его нативной конформации в процессе выделния все операции проводят в мягких условиях при температуре не выше 5°С, избегая резких воздействий химических реагентов.

Поверхностные свойства белков. Молекулы белков содержат разные ос-аминокислоты, имеющие и гидрофобные радикалы на основе алифатических и ароматических углеводородов, и гидро­фильные радикалы, включая пептидную группировку. Эти ради­калы распределены по всей цепи, и поэтому большинство бел­ков является поверхностно-активными веществами (разд. 26.6). Характерная особенность белковых ПАВ - наличие в их молеку­лах фрагментов с резко различным гидрофильно-липофильным балансом, что делает их эффективными стабилизаторами для лиофобных дисперсных систем, эмульгаторами жиров и холесте­рина и активными компонентами биологических мембран.

Благодаря поверхностно-активным свойствам некоторые белки образуют лиофильные мицеллы (разд. 27.3) с липидами (включая холестерин и его эфиры), называемые липопротеинами. В липопротеинах между молекулами белков и липидов нет ковалентных связей, а есть только межмолекулярные взаи­модействия. Внешняя поверхность липопротеиновой мицеллы состоит из гидрофильных фрагментов белков и молекул фосфо-липидов, а ее внутренняя часть (ядро) представляет собой гид­рофобную среду, в которой растворены жиры, холестерин и его эфиры (рис. 21.6). Наличие в липопротеинах внешней гидро­фильной оболочки делает эти богатые липидами мицеллы "рас­творимыми" в воде и хорошо приспособленными для транспор­та жиров из тонкого кишечника в жировые депо и в различные ткани. Диаметр липопротеиновых мицелл составляет от 7 до 1000 нм.

В зависимости от плотности, размеров мицелл и соотношения в них белка и липидов липопротеины подразделяют на 4 класса (табл. 21.2).

Рис. 21.6. Мицелла липопротеина

Роль хиломикронов и липопротеинов очень низкой плотно­сти заключается в транспорте жиров и их гидролизе под дейст­вием липопротеинлипазы. По мере расщепления жиров происходит превращение:

Р-Липопротеины в основном транспортируют холестерин в клет­ки, а а-липопротеины выводят из клеток избыток холестерина.

При изучении липопротеинового состава сыворотки крови ус­тановлено, что чем больше отношение B-липопротеины/а-липо-протеины, тем больше опасность обильных отложений холесте­рина на внутренней поверхности кровеносных сосудов, т. е. атеросклероза. Атеросклероз способствует развитию инсульта или инфаркта миокарда за счет ограничения кровотока через суженные сосуды мозга или сердца.

Поверхностные свойства белков, характеризующие их спо­собность к межмолекулярным взаимодействиям, лежат в основе взаимодействия фермента с субстратом (разд. 5.6), антитела с антигеном и объясняют различные взаимодействия, называе­мые в биологии специфической комплементарностью (теория "ключа и замка"). Во всех этих случаях имеет место строгое соответствие между поверхностной структурой и свойствами взаи­модействующих частиц, которые обеспечивают высокую эффективность различных видов межмолекулярных взаимодейст­вий между ними (рис. 21.3). В биологии это часто упрощенно отражают, используя графическое соответствие форм и разме­ров взаимодействующих частиц (рис. 21.7).

Информационные свойства белков. Молекулы белков и отдель­ные их фрагменты рассматриваются как носители биологической

Рис. 21.7. Графическая интерпретация соответствия межмолекуляр­ных взаимодействий между белковыми частицами, описываемых специфической комплементарностью или теорией "ключа и замка"

информации, в которой роль букв алфавита играют 20 амино­кислотных остатков. В основе считывания этой информации на­ходятся различные виды межмолекулярных взаимодействий и стремление системы использовать их эффективно. Например, в ферментах вблизи активного центра часть белковой молекулы содержит определенные аминокислотные остатки, заместители которых сориентированы в пространстве так, чтобы происходило узнавание строго определенного субстрата, с которым реагирует данный фермент. Аналогично протекает взаимодействие анти­тело - антиген или происходит синтез в организме соответст­вующего антитела на появившийся антиген. Информационные свойства белков лежат в основе иммунитета, представляющего собой целостную систему биологических механизмов самозащиты организма, в основе которых лежат информационные процессы распознавания "свой" и "чужой". "Аминокислотный язык", содержащий 20 единиц, является одним из наиболее оптималь­ных и надежных способов кодирования важной информации для жизнедеятельности живых систем, включающей сведения о форме отдельных органов и организма в целом.

Кислотно-основные свойства. Белки, как и а-аминокислоты (разд. 8.2), являются полиамфолитами, проявляя кислотные свой­ства за счет неионизованных карбоксильных групп -СООН, аммо­нийных групп тиольных групп -SH, а также n-гидрокси-

фенильных групп Основные свойства белки проявляют за счет групп - СОО-, аминогрупп - NH 2 , а также замес­тителей имидазола -C 3 H 3 N 2 и гуанидина -(CH 5 N 3) + . В водных растворах в зависимости от рН среды белки могут находиться при рН = рI белка в молекулярной, т. е. нейтральной форме, имеющей биполярно-ионное строение, при рН < рI белка появля­ется катионная форма, и при рН > рI белка появляется анион­ная форма, в основном за счет ионизации заместителей (-RH).

В сильнокислой среде происходит протонирование ионизо­ванной карбоксильной группы белка, а в сильнощелочной сре­де - депротонирование концевой аммонийной группы. Однако в биологических средах, для которых не характерны такие край­ние значения рН, подобных превращений с белковыми молеку­лами не происходит. Кислотно-основные превращения в моле­кулах белков, естественно, сопровождаются изменением их конформации, а следовательно, биологические и физиологические функции катиона или аниона белков будут отличаться не толь­ко друг от друга, но и от функций их молекул.

В зависимости от аминокислотного состава белки подразде­ляются на "нейтральные" (рI = 5,0 - 7,0), "кислотные" (рI < 4,0) и "основные", или "щелочные" (рI > 7,5) (табл. 21.3). В кислотных белках повышенное содержание аспарагиновой или глутаминовой кислот, а в "основных" - аргинина, лизина или гистидина. На основе белков в организме действуют белковые буферные сис­темы (разд. 8.4).

Различие в кислотно-основных свойствах белков лежит в осно­ве разделения и анализа белковых смесей методами электрофореза и ионообменной хроматографии. В постоянном электрическом по­ле белки обладают электрофоретической подвижностью, причем направление их движения к катоду или аноду зависит от значения рН раствора и рI белка. При рН < рI белок частично находится в форме катиона и перемещается к катоду. При рН > рI белок пере­мещается к аноду, поскольку частично находится в форме аниона. При рН = рI белок полностью находится в молекулярной форме и под действием электрического поля не перемещается. Электрофо-ретическая подвижность иона белка зависит от его размера и заряда, а также от рН раствора. Подвижность иона будет тем больше, чем больше разница между рН раствора и рI белка. Анализ белка с помощью электрофореза широко применяется в клинической биохимии для диагностики заболеваний.

Комплексообразующие свойства. Белки - активные полидентатные лиганды (разд. 10.1), особенно содержащие мягкие функциональные группы: тиольную, имидазольную, гуанидиновую, аминогруппу:

Вследствие наличия в молекулах белков различных функцио­нальных групп они образуют комплексные соединения разной устойчивости в зависимости от поляризуемости иона комплексо-образователя. С малополяризуемыми (жесткими) катионами К + и Na + белки образуют малоустойчивые комплексы, которые в ор­ганизме выполняют роль ионофоров для катионов или активато­ров белков как субстратов для тех или иных биохимических процессов. С менее жесткими катионами Mg 2+ или Са 2+ белки образуют достаточно прочные комплексы. С катионами d-металлов: железа, меди, марганца, цинка, кобальта, молибдена ("ме­таллы жизни"), достаточно поляризуемыми, т. е. мягкими, бел­ки образуют прочные комплексы. Однако особенно прочные ком­плексы они образуют с катионами металлов-токсикантов: свинца, кадмия, ртути и другими, проявляющими высокую поляризуе­мость, т. е. очень мягкими. Прочные комплексы белков с катио­нами металлов часто называют металлопротеинами.

Множество ферментов представляют собой хелатные ком­плексы белка с катионом какого -либо "металла жизни". При этом именно катион комплексообразователя под влиянием белкалиганда является активным центром фермента, а фрагмент белко­вой молекулы вблизи этого центра обычно выполняет роль опо-знавателя и активатора субстрата. Белковый компонент метал-лофермента часто называют апоферментом.

Все белки при обработке солями меди в щелочной среде об­разуют хелатный комплекс фиолетового цвета, что является ка­чественной реакцией на белки, которая называется биуретовой реакцией:

Эта реакция происходит путем депротонирования пептид­ных групп белка, чему способствуют щелочная среда и наличие в ней иона комплексообразователя.

Электрофильно-нуклеофильные реакции. К этим реакциям прежде всего относится гидролиз белков - основной путь их катаболизма (распада) в организме. При гидролизе белка реагент -молекула воды - выступает и как нуклеофил за счет ОН", и как электрофил за счет Н + . Нуклеофильная частица ОН" атакует электрофильный центр пептидной связи, т. е. углеродный атом карбонильной группы, а нуклеофильный центр этой связи - атом азота - атакуется электрофилом - протоном. В результате атаки молекулами воды пептидные связи в белках разрываются, и об­разуются вначале осаминокислоты и пептиды, а конечными продуктами являются ос-аминокислоты.

Гидролитический распад белков протекает в любой клетке организма, точнее, в ее липосомах, где сосредоточены гидроли­тические ферменты. Гидролиз белков может быть частичным (до пептидов) и полным (до аминокислот). Частичный гидролиз ускоряется протеиназами, которые способствуют образованию пептидов. Полученные пептиды гидролизуются до аминокислот при участии пептидаз. В организме гидролиз белков осуществляется в основном целым набором ферментов, каждый из кото­рых расщепляет ту пептидную связь, которая образована опреде­ленными аминокислотами. Так, карбоксипептидаза специфиче­ски отщепляет от белков С-концевую аминокислоту, трипсин гидролизует пептидную связь между аминокислотами с непо­лярным (гидрофобным) заместителем. Химотрипсин расщепля­ет пептидную связь, образованную фенилал анином, тирозином, триптофаном с другими аминокислотами. В организме пищевые белки расщепляются полностью, поскольку для жизнедеятель­ности используются в основном свободные ос-аминокислоты.

В лабораторных условиях белки гидролизуются как в кислой, так и в щелочной среде. Однако щелочной гидролиз практически не используется из-за неустойчивости многих осаминокислот в этих условиях. Обычно полный гидролиз проводят при нагревании белка до 110°С в запаянной ампуле с 20 % НС1 в течение 24 ч. В этих условиях гидролиз белка протекает до конца, но образующийся триптофан при этом полностью разлагается. По­этому предпочтение отдают ферментативному гидролизу.

Белки организма, содержащие аспарагиновую и глутамино-вую кислоты, могут выступать акцептором аммиака, который как нуклеофил реагирует по свободным карбоксильным группам заместителя, т. е. происходит реакция амидирования белков:

Реакция амидирования - эндэргоническая, поэтому в орга­низме она сопряжена с реакцией гидролиза АТФ.

С целью стерилизации объектов (полного освобождения от микроорганизмов) их обрабатывают формальдегидом. Формаль­дегид как активный электрофил реагирует по свободным ами­ногруппам белков, образуя их метилольные производные:

В результате этой реакции белок теряет свои нативные свой­ства, так как происходит его необратимая денатурация.

Активные электрофильные реагенты (ЕХ): 2,4-динитрофтор-бензол, фенилизотиоцианат или дансилхлорид - используются для установления первичной структуры белков или пептидов. Они в присутствии оснований реагируют по N-концевой амино­кислоте аниона белка и способствуют ее отщеплению в виде со­ответствующего производного Е-NH-CRH-СООН, легко иден­тифицируемого или хроматографически, или спектрально:

Оставшаяся часть белка при этом не разрушается, а операции по отщеплению следующей аминокислоты можно повторять. Эти реакции лежат в основе работы автоматического анализатора первичной структуры белков. Обычно анализируемый белок вначале подвергают частичному гидролизу с получением нескольких пептидов. Полученные пептиды разделяют, очищают, и в каждом определяется последовательность аминокислот, а затем составляется первичная структура анализируемого белка.

Окислительно-восстановительные свойства. Белки относи­тельно устойчивы к мягкому окислению, за исключением со­держащих аминокислоту цистеин, так как тиольная группа по­следней легко окисляется в дисульфидную группу, причем про­цесс может носить обратимый характер:

В результате этих превращений происходит изменение конформации белка и его нативных свойств. Поэтому серосодержа­щие белки чувствительны к свободнорадикальному окислению или восстановлению, что происходит при воздействии на организм радиации или токсичных форм кислорода (разд. 9.3.9).

Тиол-дисульфидные превращения белка кератина лежат в основе химической завивки волос, так как цистеин и цистин входят в его состав. Сначала волосы обрабатывают восстанови­телем, чтобы разрушить связи -S-S- цистина и превратить в тиольные группы цистеина. Затем волосы укладывают в локо­ны (завивают) и обрабатывают окислителем. При этом образу­ются дисульфидные связи цистина, которые помогают волосам сохранить их новую форму.

При более жестком окислении тиольная группа белков окис­ляется в сульфогруппу практически необратимо:

Жесткое окисление белков до СО2, H2O и аммонийных солей используется организмом для устранения ненужных белков и по­полнения своих энергетических ресурсов (16,5 - 17,2 кДж/г).

В организме белки, содержащие остатки лизина, пролина, фе-нилаланина и триптофана, подвергаются ферментативному гидроксилированию (монооксигеназное окисление) при участии ки­слорода и восстановленной формы кофермента:

В результате реакции гидроксилирования усиливаются гид­рофильные свойства белка и его способность к образованию водо­родных связей. Это имеет место у тропоколлагена, у которого три цепи объединяются в устойчивую суперспираль за счет водород­ных связей, в образовании которых участвуют и гидроксипролиновые остатки.

Подобная реакция происходит в молекуле тропоколлагена, что приводит к еще более прочной "сшивке" его пептидных цепей.

Окислительное дезаминирование белков под действием нингидрина, сопровождаемое образованием синего окрашивания, -характерная качественная реакция на белки - нингидриновая реакция (см. разд. 21.2.4).

Для обнаружения белков, содержащих ароматические и гете­роциклические аминокислоты, используется ксантопротеиновая реакция, которая при действии концентрированной азотной ки­слоты сопровождается появлением желтого окрашивания, пере­ходящего при добавлении щелочи или аммиака в оранжевое:

Именно в результате ксантопротеиновой реакции наблюда­ется желтое окрашивание кожи при попадании на нее концен­трированной азотной кислоты.

Таким образом, для белков характерны: определенная конформация, жидкокристаллическое состояние, поверхностно-активные и информационные свойства, а также все четыре вида химиче­ских реакций: кислотно-основные, комплексообразующие, электрофильно-нуклеофильные и окислительно-восстановительные, лежащие в основе жизнедеятельности любых живых систем. Совокупность всех этих свойств объясняет уникальность белков для всего живого мира.

Cтраница 1

Трехмерная структура белка еще ие известна.  

Трехмерная структура белка определяется невалентными взаимодействиями между аминокислотными остатками цепи, а также между этими остатками и растворителем (гл.  

Трехмерная структура белка высокослецифична. Иными словами, полипептидная цепь или цепи не просто свертываются с образованием структуры, близкой к сферической; свертывание проходит ряд строго фиксированных этапов, в результате чего возникает уникальная или почти уникальная конфигурация. Ввиду большой сложности и высокой специфичности третичной структуры, естественно, очень важно, во-первых, изучить тонкие детали этой структуры и, во-вторых, попытаться понять природу сил, ответственных за ее поддержание. Данные по вязкости, коэффициенту трения и светорассеянию дают информацию относительно общей топографии макромолекул. Более точные сведения, касающиеся деталей третичной структуры белков, удается получить с помощью рентгеноструктурного анализа.  

Для выяснения трехмерной структуры белков в последнее время успешно применяются также методы низкотемпературной вычислительной техники, а также математические и компьютерные методы определения объемной структуры на основании данных последовательностей аминокислот.  

Существенную помощь в подобных случаях оказывает знание трехмерной структуры белков. Имеющиеся в настоящее время данные показывают, что обычно остатки, находящиеся во внутренней части белка, мало подвержены изменениям и что все различия между гомологичными белками (замены аминокислот, делеции или вставки петель в цепи) касаются поверхности молекул. Таким образом, последовательности отдаленно родственных белков можно сопоставлять по остаткам, которые занимают геометрически сходные позиции в пространственной структуре.  

В природе дисульфидные мостики имеют важное значение, определяя трехмерную структуру белков (разд.  

Проведенный им анализ дифракционной картины волокон кератина привел к простому представлению о трехмерной структуре белков, образованных в результате упаковки вытянутых ф-кератин) или изогнутых (а-кератин) полипептидных цепей. В основе этого представления лежало два принципиальных положения: о возможности существования изогнутых форм полипептидных цепей, которые считались полностью растянутыми, и о существовании упорядоченной трехмерной структуры белков, составляющей основу упаковки.  

Характерной особенностью современных работ по конформа-ционному анализу полипептидов является расчет предпочтительной конформации с использованием трехмерных структур белков, установленных ранее с помощью рентгеноструктурного анализа, что позволяет проверить правильность расчета. Полученные результаты существенно разнятся по достоверности ввиду неопределенностей, связанных с установлением минимума энергии конформации молекулы, как это показано на примере полипептидов.  

Такие деформации, безусловно, могут иметь место в силу взаимодействия между субстратом и трехмерной структурой белка и, поскольку последний не является жестким образованием, его структура также будет деформироваться. Деформации стабильных структур основного состояния приводят к тому, что такого рода взаимодействия осуществляются с затратой энергии и понижают общую энергию связывания.  

Наконец, мы рассмотрим молекулярные основы самовоспроизведения клеток и преобразования одномерной информации, содержащейся в ДНК, в трехмерную структуру белков. По ходу дела мы увидим, что биохимия способствует формированию новых важных представлений, касающихся физиологии человека, проблем питания и медицины, более глубокому пониманию биологии растений, основ сельского хозяйства, эволюции, экологии, а также великого круговорота вещества и энергии между солнцем, землей, растениями и животными.  

Ти представляет собой лабильный трехдоменный белок с молеку - Цфной массой около 45 000 дальтон. Трехмерная структура белка находится в адии интенсивного исследования.  

Каждому белку свойственна своя особая геометрическая форма, или конформация. Для описания трехмерной структуры белков рассматривают обычно четыре уровня организации, которые мы здесь и опишем.  

Как известно, не все белки содержат цистин; однако имеются и другие возможности сшивки цепей, например при помощи фосфо-эфирных связей. Кроме того, следует иметь в виду, что трехмерная структура белка, несомненно, приводит к взаимодействию боковых цепей аминокислот друг с другом или с какими-либо участками пептидной цепи. Важную роль в образовании уникальной структуры белка, обеспечивающей его биологическую функцию, играют прочно связанные с ним вещества небелковой природы, такие, как металлы, пигменты и сахара. Молекула гемоглобина человека состоит из четырех пептидных цепей (двух а - и двух (З - цепей), соединенных с четырьмя геминовыми группами, которые и являются переносчиками кислорода. Структуры обеих цепей гемоглобина (по Брауницеру и др. ) и миоглобина приведены на фиг. Интересно, что, согласно недавно опубликованной структуре субъединицы белка вируса табачной мозаики , в цепи из 158 аминокислотных остатков отсутствуют поперечные связи (фиг.  

Выделяют четыре уровня структурной организации белков: первичный, вторичный, третичный и четвертичный. Каждый уровень имеет свои особенности.

Первичной структурой белков называется линейная полипептидная цепь из аминокислот, соединенных между собой пептидными связями. Первичная структура - простейший уровень структурной организации белковой молекулы. Высокую стабильность ей придают ковалентные пептидные связи между α-аминогруппой одной аминокислоты и α-карбоксильной группой другой аминокислоты [показать] .

Если в образовании пептидной связи участвует иминогруппа пролина или гидроксипролина, то она имеет другой вид [показать] .

При образовании пептидных связей в клетках сначала активируется карбоксильная группа одной аминокислоты, а затем она соединяется с аминогруппой другой. Примерно так же проводят лабораторный синтез полипептидов.

Пептидная связь является повторяющимся фрагментом полипептидной цепи. Она имеет ряд особенностей, которые влияют не только на форму первичной структуры, но и на высшие уровни организации полипептидной цепи:

• копланарность - все атомы, входящие в пептидную группу, находятся в одной плоскости;
• способность существовать в двух резонансных формах (кето- или енольной форме);
• транс-положение заместителей по отношению к С-N-связи;
• способность к образованию водородных связей, причем каждая из пептидных групп может образовывать две водородные связи с другими группами, в том числе и пептидными.

Исключение составляют пептидные группы с участием аминогруппы пролина или гидроксипролина. Они способны образовывать только одну водородную связь (см. выше). Это сказывается на формировании вторичной структуры белка. Полипептидная цепь на участке, где находится пролин или гидроксипролин, легко изгибается, так как не удерживается, как обычно, второй водородной связью.

Номенклатура пептидов и полипептидов . Название пептидов складывается из названий входящих в них аминокислот. Две аминокислоты дают дипептид, три - трипептид, четыре - тетрапептид и т. д. Каждый пептид или полипептидная цепь любой длины имеет N-концевую аминокислоту, содержащую свободную аминогруппу, и С-концевую аминокислоту, содержащую свободную карбоксильную группу. Называя полипептиды, перечисляют последовательно все аминокислоты, начиная с N-концевой, заменяя в их названиях, кроме С-концевой, суффикс -ин на -ил (так как аминокислоты в пептидах имеют уже не карбоксильную группу, а карбонильную). Например, название изображенного на рис. 1 трипептида - лейцил фенилаланил треонин .

Особенности первичной структуры белка . В остове полипептидной цепи чередуются жесткие структуры (плоские пептидные группы) с относительно подвижными участками (-СНR), которые способны вращаться вокруг связей. Такие особенности строения полипептидной цепи влияют на укладку ее в пространстве.

Вторичная структура представляет собой способ укладки полипептидной цепи в упорядоченную структуру благодаря образованию водородных связей между пептидными группами одной цепи или смежными полипептидными цепями. По конфигурации вторичные структуры делятся на спиральные (α-спираль) и слоисто-складчатые (β-структура и кросс-β-форма).

α-Спираль . Это разновидность вторичной структуры белка, имеющая вид регулярной спирали, образующейся благодаря межпептидным водородным связям в пределах одной полипептидной цепи. Модель строения α-спирали (рис. 2), учитывающая все свойства пептидной связи, была предложена Полингом и Кори. Основные особенности α-спирали:

• спиральная конфигурация полипептидной цепи, имеющая винтовую симметрию;
• образование водородных связей между пептидными группами каждого первого и четвертого аминокислотных остатков;
• регулярность витков спирали;
• равнозначность всех аминокислотных остатков в α-спирали независимо от строения их боковых радикалов;
• боковые радикалы аминокислот не участвуют в образовании α-спирали.

Внешне α-спираль похожа на слегка растянутую спираль электрической плитки. Регулярность водородных связей между первой и четвертой пептидными группами определяет и регулярность витков полипептидной цепи. Высота одного витка, или шаг α-спирали, равна 0,54 нм; в него входит 3,6 аминокислотных остатка, т. е. каждый аминокислотный остаток перемещается вдоль оси (высота одного аминокислотного остатка) на 0,15 нм (0,54:3,6 = 0,15 нм), что и позволяет говорить о равнозначности всех аминокислотных остатков в α-спирали. Период регулярности α-спирали равен 5 виткам или 18 аминокислотным остаткам; длина одного периода составляет 2,7 нм. Рис. 3. Модель а-спирали Полинга-Кори

β-Структура . Это разновидность вторичной структуры, которая имеет слабо изогнутую конфигурацию полипептидной цепи и формируется с помощью межпептидных водородных связей в пределах отдельных участков одной полипептидной цепи или смежных полипептидных цепей. Ее называют также слоисто-складчатой структурой. Имеются разновидности β-структур. Ограниченные слоистые участки, образуемые одной полипептидной цепью белка, называют кросс-β-формой (короткая β-структура). Водородные связи в кросс-β-форме образуются между пептидными группами петель полипептидной цепи. Другой тип - полная β-структура - характерен для всей полипептидной цепочки, которая имеет вытянутую форму и удерживается межпептидными водородными связями между смежными параллельными полипептидными цепями (рис. 3). Эта структура напоминает меха аккордеона. Причем возможны варианты β-структур: они могут быть образованы параллельными цепями (N-концы полипептидных цепей направлены в одну и ту же сторону) и антипараллельными (N-концы направлены в разные стороны). Боковые радикалы одного слоя помещаются между боковыми радикалами другого слоя.

В белках возможны переходы от α-структур к β-структурам и обратно вследствие перестройки водородных связей. Вместо регулярных межпептидных водородных связей вдоль цепи (благодаря им полипептидная цепь скручивается в спираль) происходит раскручивание спирализованных участков и замыкание водородных связей между вытянутыми фрагментами полипептидных цепей. Такой переход обнаружен в кератине - белке волос. При мытье волос щелочными моющими средствами легко разрушается спиральная структура β-кератина и он переходит в α-кератин (вьющиеся волосы распрямляются).

Разрушение регулярных вторичных структур белков (α-спирали и β-структур) по аналогии с плавлением кристалла называют "плавлением" полипептидов. При этом водородные связи рвутся, и полипептидные цепи принимают форму беспорядочного клубка. Следовательно, стабильность вторичных структур определяется межпептидными водородными связями. Остальные типы связей почти не принимают в этом участия, за исключением дисульфидных связей вдоль полипептидной цепи в местах расположения остатков цистеина. Короткие пептиды благодаря дисульфидным связям замыкаются в циклы. Во многих белках одновременно имеются α-спиральные участки и β-структуры. Природных белков, состоящих на 100% из α-спирали, почти не бывает (исключение составляет парамиозин - мышечный белок, на 96-100% представляющий собой α-спираль), тогда как у синтетических полипептидов 100%-ная спирализация.

Другие белки имеют неодинаковую степень спирализации. Высокая частота α-спиральных структур наблюдается у парамиозина, миоглобина, гемоглобина. Напротив, у трипсина, рибонуклеазы значительная часть полипептидной цепи укладывается в слоистые β-структуры. Белки опорных тканей: кератин (белок волос, шерсти), коллаген (белок сухожилий, кожи), фиброин (белок натурального шелка) имеют β-конфигурацию полипептидных цепей. Разная степень спирализации полипептидных цепей белков говорит о том, что, очевидно, имеются силы, частично нарушающие спирализацию или "ломающие" регулярную укладку полипептидной цепи. Причиной этого является более компактная укладка полипептидной цепи белка в определенном объеме, т. е. в третичную структуру.

Третичная структура белка

Третичной структурой белка называется способ укладки полипептидной цепи в пространстве. По форме третичной структуры белки делятся в основном на глобулярные и фибриллярные. Глобулярные белки чаще всего имеют эллипсовидную форму, а фибриллярные (нитевидные) белки - вытянутую (форма палочки, веретена).

Однако конфигурация третичной структуры белков еще не дает основания думать, что фибриллярные белки имеют только β-структуру, а глобулярные α-спиральные. Есть фибриллярные белки, имеющие спиральную, а не слоисто-складчатую вторичную структуру. Например, α-кератин и парамиозин (белок запирательной мышцы моллюсков), тропомиозины (белки скелетных мышц) относятся к фибриллярным белкам (имеют палочковидную форму), а вторичная структура у них - α-спираль; напротив, в глобулярных белках может быть большое количество β-структур.

Спирализация линейной полипептидной цепи уменьшает ее размеры примерно в 4 раза; а укладка в третичную структуру делает ее в десятки раз более компактной, чем исходная цепь.

Связи, стабилизирующие третичную структуру белка . В стабилизации третичной структуры играют роль связи между боковыми радикалами аминокислот. Эти связи можно разделить на:

• сильные (ковалентные) [показать] .

  К ковалентным связям относятся дисульфидные связи (-S-S-) между боковыми радикалами цистеинов, находящихся в разных участках полипептидной цепи; изопептидные, или псевдопептидные, - между аминогруппами боковых радикалов лизина, аргинина, а не α-аминогруппами, и СООН-группами боковых радикалов аспарагиновой, глутаминовой и аминолимонной кислот, а не α-карбоксильными группами аминокислот. Отсюда и название этого типа связи - подобная пептидной. Редко встречается эфирная связь, образуемая СООН-группой дикарбоновых аминокислот (аспарагиновой, глутаминовой) и ОН-группой гидроксиаминокислот (серина, треонина).

• слабые (полярные и ван-дер-ваальсовы) [показать] .

  К полярным связям относятся водородные и ионные. Водородные связи, как обычно, возникают между группой -NН 2 , - ОН или -SН бокового радикала одной аминокислоты и карбоксильной группой другой. Ионные, или электростатические, связи образуются при контакте заряженных групп боковых радикалов -NН + 3 (лизина, аргинина, гистидина) и -СОО - (аспарагиновой и глутаминовой кислот).

  Неполярные, или ван-дер-ваальсовы, связи образуются между углеводородными радикалами аминокислот. Гидрофобные радикалы аминокислот аланина, валина, изолейцина, метионина, фенилаланина в водной среде взаимодействуют друг с другом. Слабые ван-дер-ваальсовы связи способствуют формированию гидрофобного ядра из неполярных радикалов внутри белковой глобулы. Чем больше неполярных аминокислот, тем большую роль в укладке полипептидной цепи играют ван-дер-ваальсовы связи.

Многочисленные связи между боковыми радикалами аминокислот определяют пространственную конфигурацию белковой молекулы.

Особенности организации третичной структуры белка . Конформация третичной структуры полипептидной цепи определяется свойствами боковых радикалов входящих в нее аминокислот (которые не оказывают заметного влияния на формирование первичной и вторичной структур) и микроокружением, т. е. средой. При укладке полипептидная цепь белка стремится принять энергетически выгодную форму, характеризующуюся минимумом свободной энергии. Поэтому неполярные R-группы, "избегая" воды, образуют как бы внутреннюю часть третичной структуры белка, где расположена основная часть гидрофобных остатков полипептидной цепи. В центре белковой глобулы почти нет молекул воды. Полярные (гидрофильные) R-группы аминокислоты располагаются снаружи этого гидрофобного ядра и окружены молекулами воды. Полипептидная цепь причудливо изгибается в трехмерном пространстве. При ее изгибах нарушается вторичная спиральная конформация. "Ломается" цепь в слабых точках, где находятся пролин или гидроксипролин, поскольку эти аминокислоты более подвижны в цепи, образуя только одну водородную связь с другими пептидными группами. Другим местом изгиба является глицин, R-группа которого мала (водород). Поэтому R-группы других аминокислот при укладке стремятся занять свободное пространство в месте нахождения глицина. Ряд аминокислот - аланин, лейцин, глутамат, гистидин - способствуют сохранению устойчивых спиральных структур в белке, а такие, как метионин, валин, изолейцин, аспарагиновая кислота, благоприятствуют образованию β-структур. В молекуле белка с третичной конфигурацией встречаются участки в виде α-спиралей (спирализованные), β-структур (слоистые) и беспорядочного клубка. Только правильная пространственная укладка белка делает его активным; нарушение ее приводит к изменению свойств белка и потере биологической активности.

Четвертичная структура белка

Белки, состоящие из одной полипептидной цепи, имеют только третичную структуру. К ним относятся миоглобин - белок мышечной ткани, участвующий в связывании кислорода, ряд ферментов (лизоцим, пепсин, трипсин и т. д.). Однако некоторые белки построены из нескольких полипептидных цепей, каждая из которых имеет третичную структуру. Для таких белков введено понятие четвертичной структуры, которая представляет собой организацию нескольких полипептидных цепей с третичной структурой в единую функциональную молекулу белка. Такой белок с четвертичной структурой называется олигомером, а его полипептидные цепи с третичной структурой - протомерами или субъединицами (рис. 4).

При четвертичном уровне организации белки сохраняют основную конфигурацию третичной структуры (глобулярную или фибриллярную). Например, гемоглобин - белок, имеющий четвертичную структуру, состоит из четырех субъединиц. Каждая из субъединиц - глобулярный белок и в целом гемоглобин тоже имеет глобулярную конфигурацию. Белки волос и шерсти - кератины, относящиеся по третичной структуре к фибриллярным белкам, имеют фибриллярную конформацию и четвертичную структуру.

Стабилизация четвертичной структуры белков . Все белки, у которых обнаружена четвертичная структура, выделены в виде индивидуальных макромолекул, не распадающихся на субъединицы. Контакты между поверхностями субъединиц возможны только за счет полярных групп аминокислотных остатков, поскольку при формировании третичной структуры каждой из полипептидных цепей боковые радикалы неполярных аминокислот (составляющих большую часть всех протеиногенных аминокислот) спрятаны внутри субъединицы. Между их полярными группами образуются многочисленные ионные (солевые), водородные, а в некоторых случаях и дисульфидные связи, которые прочно удерживают субъединицы в виде организованного комплекса. Применение веществ, разрывающих водородные связи, или веществ, восстанавливающих дисульфидные мостики, вызывает дезагрегацию протомеров и разрушение четвертичной структуры белка. В табл. 1 суммированы данные о связях, стабилизирующих разные уровни организации белковой молекулы [показать] .

Таблица 1. Характеристика связей, участвующих в структурной организации белков
Уровень организации	Типы связей (по прочности)	Разновидность связи
Первичная (линейная полипeптидная цепь)	Ковалентные (сильные)	Пептидная - между α-амино- и α-карбоксильными группами аминокислот
Вторичная (α-спираль, β-структуры)	Слабые	Водородные - между пептидными группами (каждой первой и четвертой) одной полипептидной цепи или между пептидными группами смежных полипептидных цепей
	Ковалентные (сильные)	Дисульфидные - дисульфидные петли в пределах линейного участка полипептидной цепи
Третичная (глобулярная, фибриллярная)	Ковалентные (сильные)	Дисульфидные, изопептидные, сложноэфирные - между боковыми радикалами аминокислот разных участков полипептидной цепи
	Слабые	Водородные - между боковыми радикалами аминокислот разных участков полипептидной цепи Ионные (солевые) - между противоположно заряженными группами боковых радикалов аминокислот полипептидной цепи Ван-дер-ваальсовы - между неполярными боковыми радикалами аминокислот полипептидной цепи
Четвертичная (глобулярная, фибриллярная)	Слабые	Ионные - между противоположно заряженными группами боковых радикалов аминокислот каждой из субъединиц Водородные - между боковыми радикалами аминокислотных остатков, расположенными на поверхности контактирующих участков субъединиц
	Ковалентные (сильные)	Дисульфидные - между остатками цистеина каждой из контактирующих поверхностей разных субъединиц

Особенности структурной организации некоторых фибриллярных белков

Структурная организация фибриллярных белков имеет ряд особенностей по сравнению с глобулярными белками. Эти особенности можно проследить на примере кератина, фиброина и коллагена. Кератины существуют в α- и β-конформациях. α-Кератины и фиброин имеют слоисто-складчатую вторичную структуру, однако в кератине цепи параллельны, а в фиброине антипараллельны (см. рис. 3); кроме того, в кератине имеются межцепочечные дисульфидные связи, а у фиброина они отсутствуют. Разрыв дисульфидных связей приводит к разъединению полипептидных цепей в кератинах. Напротив, образование максимального числа дисульфидных связей в кератинах путем воздействия окислителей создает прочную пространственную структуру. Вообще у фибриллярных белков в отличие от глобулярных порой трудно строго разграничить разные уровни организации. Если принять (как для глобулярного белка), что третичная структура должна образовываться путем укладки в пространстве одной полипептидной цепи, а четвертичная - нескольких цепей, то в фибриллярных белках уже при формировании вторичной структуры участвует несколько полипептидных цепей. Типичным примером фибриллярного белка является коллаген, который относится к самым распространенным белкам организма человека (около 1/3 от массы всех белков). Он содержится в тканях, обладающих высокой прочностью и малой растяжимостью (кости, сухожилия, кожа, зубы и т. д.). В коллагене треть аминокислотных остатков приходится на глицин, а около четверти или чуть более - на пролин или гидроксипролин.

Изолированная полипептидная цепь коллагена (первичная структура) похожа на ломаную линию. Она содержит около 1000 аминокислот и имеет молекулярную массу порядка 10 5 (рис. 5, а, б). Полипептидная цепь построена из повторяющейся тройки аминокислот (триплет) следующего состава: гли-А-В, где А и В - любые, кроме глицина, аминокислоты (чаше всего пролин и гидроксипролин). Полипептидные цепи коллагена (или α-цепи) при формировании вторичной и третичной структур (рис. 5, в и г) не могут давать типичных α-спиралей, имеющих винтовую симметрию. Этому мешают пролин, гидроксипролин и глицин (антиспиральные аминокислоты). Поэтому три α-цепи образуют как бы скрученные спирали подобно трем нитям, обвивающим цилиндр. Три спиральные α-цепи формируют повторяющуюся структуру коллагена, которая называется тропоколлагеном (рис. 5, г). Тропоколлаген по своей организации является третичной структурой коллагена. Плоские кольца пролина и оксипролина, регулярно чередующиеся вдоль цепи, придают ей жесткость, как и межцепочечные связи между α-цепями тропоколлагена (поэтому коллаген устойчив к растяжению). Тропоколлаген является, по существу, субъединицей фибрилл коллагена. Укладка тропоколлагеновых субъединиц в четвертичную структуру коллагена происходит ступенеобразно (рис. 5, д).

Стабилизация структур коллагена происходит за счет межцепочечных водородных, ионных и ван-дер-ваальсовых связей и небольшого количества ковалентных связей.

α-Цепи коллагена имеют разное химическое строение. Различают α 1 -цепи разных видов (I, II, III, IV) и α 2 -цепи. В зависимости от того, какие α 1 - и α 2 -цепи участвуют в образовании трехцепочечной спирали тропоколлагена, различают четыре типа коллагена:

• первый тип - две α 1 (I) и одна α 2 -цепи;
• второй тип - три α 1 (II)-цепи;
• третий тип - три α 1 (III)-цепи;
• четвертый тип - три α 1 (IV)-цепи.

Наиболее распространен коллаген первого типа: он содержится в костной ткани, коже, сухожилиях; коллаген второго типа содержится в хрящевой ткани и т. д. В одном виде ткани могут быть разные типы коллагена.

Упорядоченная агрегация коллагеновых структур, их жесткость и инертность обеспечивают высокую прочность коллагеновых волокон. Коллагеновые белки содержат также углеводные компоненты, т. е. являются белок-углеводными комплексами.

Коллаген - внеклеточный белок, который образуется клетками соединительной ткани, входящей во все органы. Поэтому с повреждением коллагена (или нарушением его образования) возникают множественные нарушения опорных функций соединительной ткани органов.

Страница 3

всего страниц: 7