Курс «Молекулярные основы процессов жизнедеятельности»

УЧЕБНЫЙ ПЛАН КУРСА

№ газеты	Учебный материал
	Лекция № 1.Основные виды биополимеров
	Лекция № 2. Внутримолекулярные и межмолекулярные взаимодействия в биополимерах
	Лекция № 3. Нуклеиновые кислоты Контрольная работа № 1 (срок выполнения - до 15 ноября 2004 г.)
	Лекция № 4 . Механизмы функционирования белков
	Лекция № 5. Генетический код Контрольная работа № 2 (срок выполнения - до 15 декабря 2004 г.)
	Лекция № 6. Биосинтез нуклеиновых кислот
	Лекция № 7. Предварительные этапы биосинтеза белка
	Лекция № 8. Биосинтез белка и его локализация в клетке
Итоговая работа - разработка урока. Итоговые работы, сопровождаемые справками из учебного заведения (актами о внедрении), должны быть направлены в Педагогический университет не позднее 28 февраля 2005 г.

Лекция № 4. Механизмы функционирования белков

На прошлой лекции мы рассмотрели взаимодействия, определяющие пространственную структуру белковой молекулы. Однако не все группы белка, способные вступать в такие взаимодействия, могут найти себе партнера в пределах белковой молекулы. В водных растворах эти группы обычно вступают во взаимодействия с молекулами растворителя, а заряженные группы – с растворенными в воде ионами солей. В живой клетке белковые молекулы часто образуют слабые связи с молекулами других органических веществ, в том числе и белков.

Поскольку в молекуле белка много групп, способных вступать в нековалентные взаимодействия, такая молекула может связаться с большим числом других молекул или образовать многочисленные связи с одной из молекул. Если количество взаимодействующих групп у двух таких молекул невелико, образуются непрочные комплексы, которые могут легко разрушаться, например, под действием теплового движения молекул. Если же между молекулой белка и другой молекулой образуется достаточно большое число водородных связей и много участков связано электростатическими, вандерваальсовыми и гидрофобными взаимодействиями, то начинает сказываться кооперативный эффект, т.е. прочность комплекса становится намного больше, чем следует из простого суммирования энергии образовавшихся связей.

Это возможно в том случае, если во взаимодействующих молекулах реагирующие группы расположены строго определенным образом: против отрицательно заряженных групп одной молекулы находятся положительно заряженные группы другой и наоборот, группы, образующие водородные связи, сближены и правильно ориентированы, гидрофобные участки обеих молекул находятся друг против друга. Можно сказать, что поверхности взаимодействующих молекул имеют комплементарную структуру. Такие пары молекула белка может образовать лишь с молекулами строго определенных веществ, а это значит, что взаимодействия молекулы белка с другими веществами строго специфичны и определяются его пространственной структурой.

Белок может образовывать комплексы с высокомолекулярными соединениями и формировать надмолекулярные комплексы, являющиеся основой различных клеточных и межклеточных структур. Примерами таких структур являются, например, рибосомы и микротрубочки. Первые представляют собой комплекс специфических рибосомных белков и РНК, а вторые – комплекс многочисленных молекул белка тубулина, плотно примыкающих друг к другу и расположенных по спирали, при этом сами молекулы тубулина являются глобулярными.

За счет взаимодействия между белковыми молекулами образуются волокна таких белков, как актин и коллаген (рис. 1). За счет менее специфичных, но многочисленных гидрофобных взаимодействий происходит связывание белков с мембранами. Несколько десятков молекул белков, образующих разветвленный комплекс с многочисленными молекулами кислых полисахаридов трех разных видов, являются структурной основой прочности хрящевой ткани животных.

Таких примеров можно приводить очень много. Для нас важно, что за счет образования прочных специфических комплексов с различными полимерами белки выполняют структурную функцию, обеспечивая пространственную организацию живых систем. Устойчивость таких структур обусловлена прочностью образующих их комплексов, а прочность комплексов, в свою очередь, – специфическим многоцентровым связыванием их компонентов.

Надо сказать, что образование таких специфических прочных комплексов характерно не только для белков. Например, за счет образования большого числа водородных связей расположенные параллельно молекулы целлюлозы образуют прочные пучки – мицеллы, являющиеся основой клеточной стенки растений. К образованию прочных комплексов способны и некоторые другие полисахариды. Однако для белков характерно гораздо большее многообразие формируемых структур, что является основой клеточной, тканевой и видовой специфичности.

Узнавание белками, расположенными на поверхности клетки, специфических белковых или небелковых компонентов, расположенных на поверхностях других клеток, является основой межклеточного узнавания, приводящего к образованию тканей и органов и лежащего в основе тканевой дифференцировки и развития многоклеточных организмов.

Однако белковые молекулы могут взаимодействовать не только с высокомолекулярными соединениями. Небольшие органические молекулы могут связываться с белковой молекулой с достаточно высокой специфичностью, но такие комплексы менее прочны, т.к. число образующихся слабых взаимодействий намного меньше, чем в случае макромолекул (рис. 2).

При связывании с белками малые молекулы могут деформироваться. Это ослабляет химические связи и облегчает их разрыв и образование новых связей. Кроме того, белок может связывать две и более малые молекулы, сближать их и определенным образом ориентировать друг относительно друга. Это облегчает реакции между связанными молекулами и приводит к их значительному ускорению. Такие белки являются эффективными катализаторами и называются ферментами .

Ферменты – наиболее многочисленная группа белков. Все реакции, протекающие в живых организмах, катализируются ферментами, которых в настоящее время известно несколько тысяч. Даже такие простые организмы, как бактерии, содержат более 2 тыс. различных ферментов. Набор ферментов, имеющийся у данного организма, определяет его биосинтетические возможности. Без участия ферментов биохимические реакции шли бы с ничтожными скоростями, и продукты реакции не могли бы образовываться в нужных количествах.

Ферменты отличаются высокой эффективностью, они ускоряют реакции в миллионы и миллиарды раз. Кроме того, для ферментов характерна высокая специфичность. Как правило, один фермент ускоряет превращение одного определенного вещества в другое, строго определенное, вещество. Благодаря этому в клетке не образуется побочных продуктов реакций, что характерно для большинства химических реакций.

Для многих ферментов характерна регуляция их активности различными факторами, например определенными веществами. Это позволяет клетке не образовывать избыточные количества веществ. Если количество какого-либо вещества превышает необходимый клетке уровень, активность ферментов, участвующих в его синтезе, подавляется, а когда содержание этого вещества в клетке снижается, активность ферментов вновь восстанавливается.

Еще одним свойством многих ферментов является способность сопрягать две химические реакции. При этом одна реакция идет с выделением энергии, а другая – с поглощением. Сопряжение реакций позволяет осуществить вторую реакцию за счет энергии, выделяющейся при протекании первой так, что суммарный процесс остается энергетически выгодным. С помощью таких ферментов живые организмы осуществляют большинство реакций синтеза сложных молекул, в частности полимеров.

При связывании малых молекул с белками может изменяться не только конформация малых молекул, но и конформация белковой молекулы. В некоторых случаях конформационные изменения белка могут быть очень заметными, и он приобретает новые свойства, например может связываться с молекулами других белков и нуклеиновых кислот. Такие белки при появлении определенных веществ вызывают изменения активности ферментов или работы генов – так клетки реагируют на химические сигналы.

Белки, изменяющие свои свойства при связывании гормонов, называются рецепторами . Они расположены обычно на наружной стороне клеточной мембраны и передают сигнал внутрь клетки. Кроме гормонов сигналами могут быть питательные вещества, молекулы, концентрация которых связана с общим состоянием клетки, например АТФ и т.п. Белки, связавшись с сигнальными молекулами, могут приобрести сродство к определенным последовательностям нуклеотидов в ДНК. Такие белки являются репрессорами или активаторами генов.

Изменение конформации белка при связывании низкомолекулярных веществ обычно обратимо, но в некоторых случаях переход белка из одного состояние в другое связан с изменением низкомолекулярного вещества. Чаще всего таким веществом является АТФ. Одна конформация белка переходит в другую после того, как происходит гидролиз АТФ и белок оказывается связанным с АДФ. Дальнейшая диссоциация АДФ и связывание новой молекулы АТФ возвращает белок в исходное состояние.

На таком принципе основана работа двух групп белков. Первая – транспортные АТФазы. Эти белки встроены в мембраны. Они связывают молекулы или ионы с одной стороны мембраны и за счет гидролиза АТФ переносят их на другую сторону. Таким образом в клетку поступают необходимые ей вещества и ненужные – выводятся из клетки. Такой процесс называется активным транспортом . Перенос веществ происходит также между цитоплазмой и клеточными органеллами. В результате каждая часть клетки имеет свой специфический состав и осуществляет свойственные ей процессы. Вторая группа белков, изменяющих конформацию при гидролизе АТФ, – двигательные белки. Эти белки довольно многообразны, но в основе их действия лежат сходные процессы.

Два типа белков образуют два типа комплексов – с АТФ и с АДФ или без нуклеотида. Переход из одного состояния в другое осуществляется после гидролиза АТФ, а обратный переход – после диссоциации АДФ и присоединения АТФ. Сам переход вызывает изменение положения белков друг относительно друга, что и приводит к механическому движению.

Одним из типов двигательных белков являются «шагающие» белки. Такой белок имеет два участка связывания с протяженной белковой структурой, например с микротрубочкой. Один участок прочно связывается в присутствии АТФ, а другой в ее отсутствие. Если АТФ нет, белок прикреплен к микротрубочке вторым участком. Связывание АТФ приводит к тому, что с микротрубочкой связывается на некотором расстоянии и первый участок. Гидролиз АТФ приводит к изменению конформации белка и сближению участков связывания. При этом второй участок подтягивается к первому. Затем, после диссоциации АДФ, первый участок отделяется от микротрубочки, а после присоединения АТФ свяжется снова, но уже продвинувшись на определенное расстояние (рис. 3).

Другая группа двигательных систем состоит из двух белковых нитей, соединенных белком, связывающим и гидролизующим АТФ. В мышцах это волокна актина, связанные с миозином, в жгутиках и ресничках эукариот – пары микротрубочек, связанных белком динеином. Гидролиз АТФ приводит к изменению конформации миозина или динеина, в результате чего происходит сдвиг нитей друг относительно друга. Диссоциация АДФ и присоединение новой молекулы АТФ приводит к возвращению в исходное состояние. Таким образом эти системы осуществляют возвратно-поступательное движение, такое как мышечное сокращение или изгибание жгутика. В отличие от первого типа, сам белок, гидролизующий АТФ, при этом не перемещается.

Таким образом, за счет способности белков к многочисленным слабым взаимодействиям с определенными молекулами осуществляются все важнейшие процессы жизнедеятельности – образование специфических структур, создание необходимых веществ, передача сигналов и регуляция процессов, транспорт веществ и создание определенной внутренней среды, механическое передвижение.

Вопросы и задания для самостоятельной работы

1. За счет каких взаимодействий молекула белка может связать молекулу глюкозы?
2. Какие группы молекулы белка могут участвовать в связывании молекула аланина?
3. Если фермент осуществляет соединение двух молеклу за счет энергии гидролиза АТФ, сколько участков связывания для малых молекул он должен иметь?
4. Какие полимерные молекулы могут образовывать комплексы с молекулами белков? Какие связи будут при этом образовываться?
5. Один и тот же гормон вызывает разный ответ в клетках различных тканей. Чем это может быть обусловлено?

Литература

1. Альбертс Б., Брей Д. и др. Молекулярная биология клетки. Гл. 3. – М.: Мир, 1986.
2. Ленинджер А. Биохимия. Гл. 9. – М.: Мир, 1985.

Белки - это высокомолекулярные биополимерные органические соединения, мономерами которых являются аминокислоты. Белки были выделены в отдельный класс биологических молекул в XVIII в. в результате работ французского химика А. де Фуркруа. Впервые описал белки и предложил название протеины , что в современном понимании означает белок, голландский химик Е. Я. Берцелиус. Первое выделение белка (в виде клейковины) из пшеничной муки было осуществлено Я. Беккари. Особенностью исследований белков начале XXI в. одновременное получение данных о белковый состав целых клеток, тканей или организмов, чем занимается отдельная наука - протеомика .

Молекулярная масса белков от 5000 до 150000 Да и больше.

Одним из крупнейших единичных белков является титин (компонент саркомеров мышц), содержащий более 29 тыс. Аминокислот и имеет молекулярную массу 3000000 Да. Но самые большие по массе белки (более 40000000 Да) характерны для вирусов.

Химический состав . Состоят белки с С, Η, О, N ; в некоторых белках является S , часть белков образует комплексы с другими молекулами, которые содержат Р, Fe, Zn, Сu . Белки являются биополимеры из 20 различных мономеров - природных основных аминокислот. Белки могут образовывать интерполимерных комплексы с углеводами, липидами, нуклеиновыми кислотами, фосфорной кислотой и др.

Физико-химические свойства. Благодаря наличию свободных аминогрупп и карбоксильных групп белки характеризуются всеми свойствами кислот и оснований (амфотерные свойства ). Диссоциация аминокислот и карбоксильных белковых групп обусловливает электрофоретических подвижность белков. При низких значениях pH белкового раствора в нем преобладают положительно заряженные аминогруппы, поэтому белки находятся в катионной форме. При высоких значениях pH преобладают отрицательно заряженные СООН-группы и белки будут находиться в анионной форме. При некотором промежуточном значении pH аминогруппы и карбоксильные группы могут взаимодействовать между собой, тогда сумма зарядов равна нулю, и белки остаются неподвижными в электрическом поле (электрические свойства ). Высокая молекулярная масса оказывает белковым растворам свойств, характерных для коллоидных систем, а именно: способность к образованию гелей, высокая вязкость, малая скорость диффузии, высокая степень набухания, благодаря чему они связывают около 80-90% всей воды в организме (коллоидные свойства ). Распад белков происходит под действием кислот, щелочей или специфических ферментов-гидролаз, которые расщепляют их до пептидов и аминокислот. Синтез осуществляется с аминокислот с матричным принципом с помощью информационной РНК. Под влиянием различных чиникив белки могут сворачиваться и выпадать в осадок, теряя природные свойства. Отсутствие заряда и гидратной оболочки способствует сближению белковых молекул, их слипанию и выпадению в осадок. Это явление называется коагуляцией, она может быть обратной и необратимой. Необратимую коагуляцию можно рассматривать как денатурации белков. Денатурация - это процесс нарушения естественной структуры белков. При этом уменьшается растворимость белка, меняются форма и размеры молекул и др. Процесс денатурации является обратимым, то есть возвращение нормальных условиях сопровождается восста-

нием природной структуры белка. Такой процесс называется ренатурацией . Отсюда следует, что особенности белка определяются его первичной структурой. А вот процесс разрушения первичной структуры белков всегда необратим, он называется деструкцией . Свойства белков зависят от структуры, состава и последовательности расположения аминокислот.

Структура белков. Молекулы белков являются линейными полимерами, состоящие из аминокислот. Кроме последовательности аминокислот полипептидной цепи (первичная структура), для функционирования белков крайне важна трехмерная структура (вторичная третичная и четвертичная), которая содержится в результате взаимодействия структур ниже уровней и формируется в процессе свертывания белков. Трехмерная структура белков в нормальных природных условий, при которых белки выполняют свои биологические функции, называется нашивными состоянию белка, а сама структура - нативной конформацией Выделяют четыре уровня структуры белков.

Уровни организации белковых молекул

Первичная структура кодируется соответствующим геном, является специфической для каждого отдельного белка и в наибольшей степени определяет свойства сформированного белка. Вторичная структура представляет собой форму спирали (α-структуру) или структуру складчатого листа (β-конформация) и является термодинамически устойчивым состоянием полипептидной цепи и простой структурой конформации биомолекул. Примером белков с вторичной стуктуре в виде спирали являются белки-кератины (образуют волосы, ногти, перья и т.д.) и в виде складчатого листа - фиброин (белок шелка). Во вторичной структуре α-спиральные участки часто чередуются с линейными. Третичная структура возникает автоматически в результате взаимодействия аминокислотных остатков с молекулами воды. При этом гидрофобные радикалы "втягиваются" внутрь белковой молекулы, а гидрофильные группы ориентируются в сторону растворителя. Таким образом формируется компактная молекула белка, внутри которой практически отсутствуют молекулы воды. К белкам с третичной структурой относят миоглобин. Четвертичная структура возникает в результате сочетания нескольких субъединиц (протомеры ), что вместе выполняют общую

функцию. Такое сочетание называется белковым комплексом (мультимера , или эпимер ). Типичными белками четвертичной структуры является гемоглобин, СТМ, некоторые ферменты.

Конечная структура бывает очень сложной, а процесс ее принятия новосинтезированные по ли пептид ним цепочкой требует некоторого времени. Процесс принятия белком структуры называется свертыванием, или Фолдинг. Многие белки не способны завершить свертывания самостоятельно и достичь нативного состояния, часто через взаимодействие с другими белками клетки. Такие белки требуют внешней помощи от белков специального класса - молекулярных шаперонов. Большинство белков приобретает правильную конформации только в определенных условиях среды. При изменении этих условий белок денатурирует, меняя свою конформацию. Факторами, которые вызывают изменение конформации белков, является нагревание, излучение, сильные кислоты, сильные основания, концентрированные соли, тяжелые металлы, органические растворители и тому подобное.

Виды химических связей в белках. Аминокислоты способны образовывать ряд химических связей (пептидные, дисульфидные, водородные, ионные, гидрофобные) с различными функциональными группами, и это их свойство очень важно для структуры и функций белков.

Пептидный связь - это ковалентная азот-карбоновый полярный связь, которая образуется при взаимодействии NH 2 одной аминокислоты с СООН другой с выделением воды. Этот кислотоамидний связь (-CO-NH-) является основным химическим связью белковых молекул и определяет их первичную структуру и конформацию. Соединение, образующееся в результате конденсации двух аминокислот, является дипептид. На одном конце этой молекулы расположена аминогруппа, на другом - свободная карбоксильная. Благодаря этому дипептид может присоединять к себе другие аминокислоты.

Дисульфидная связь - это ковалентная полярный связь, которая образуется при взаимодействии сульфгидрильных групп (-SH ) радикалов серосодержащих аминокислот цистеина. Эта связь (-S-S-) может возникать как между различными участками одной полипептидной цепи, так и между различными цепями, определяя особенности белковых молекул. Устойчивость многих белков в значительной мере обусловлена количеством именно этих связей, как бы "прошивают" молекулы, придавая им прочности, нерастворимости (например, в коллагена кожи, кератина волос, шерсти).

Водородная связь - это полярный связь, возникает при взаимодействии электроположительного водорода с электроотрицательным кислорода в составе гидроксильной, карбоксильной и аминной групп разных аминокислот. Эти связи (-О-Н) гораздо слабее, чем пептидные, дисульфидные и ионные, но в силу своего количества (возникают между группами, которых больше всего в молекулах белков) они приобретают очень большое значение в стабилизации структуры белковых молекул.

Ионный связь - это электростатический полярный связь, возникающая между ионизированной положительно заряженной аминогруппой одной й аминокислоты и ионизированной отрицательно заряженной карбоксильной группой другой аминокислоты. Этот солевой связь (-СОО - HN 3+ -) может объединять как витки одного и более полипептидных цепей в белках третичной структуры, так и витки различных цепей в белках четвертичной структуры. В водной среде ионные связи значительно слабее, чем пептидные, и могут разрываться при изменении pH.

Гидрофобные взаимодействия - это неполярная связь между радикалами аминокислот, которые не несут электрического заряда и не растворяются в воде. Сближение этих радикалов обусловлено характером взаимодействия гидрофобных групп (-СН3, -С2Н5 и т. Д.) С водой. Эти связи (-R-R-) еще слабее, чем водородные, они поддерживают третичную и четвертичную структуру белков.

БИОЛОГИЯ + Гемомоглобин (от греч. Hаита - кровь и "лат. Globus - шар ) - сложный железосодержащий белок эритроцитов животных и человека; способен связываться с кислородом, обеспечивая его перенос в ткани. Кроме того, гемоглобин способен связывать в тканях небольшое количество сО, и освобождать его в лёгких. Гемоглобин с сложным белком класса хромопротеидов и содержит 1 ) белковую часть - глобин, которая состоит из четырех протомеры - двух идентичных а-цепей и двух идентичных β-цепей, 2 ) небелковую часть - гем, которая представлена четырьмя простетическими группами с координационным центром в виде Fe 2+ . Объединяются субъединицы водородными, ионными связями, но основной вклад в это взаимодействие вносят гидрофобные взаимодействия. Нормальным содержанием гемоглобина в крови человека вважасться: у мужчин - 130-170 г / л, у женщин - 120-150 г / л, у детей - 120-140 г / л. Гемоглобин высоко токсичен при попадании значительного его количества из эритроцитов в плазму крови (например, при переливании несовместимой крови ) . Учитывая высокую токсичность свободного гемоглобина, в организме существуют специальные системы для его связывания и обезвреживания. В частности, одним из компонентов системы обезвреживания гемоглобина является особый плазменный белок гаптоглобин, специфически связывает свободный глобин и глобин в составе гемоглобина.

Белки представляют собой полипептиды, молекулярная масса которых превышает 6000-10000 дальтон. Они состоят из большого числа аминокислотных остатков.

В отличие от низкомолекулярных пептидов, белки обладают хорошо развитой трехмерной пространственной структурой, которая стабилизируется различного рода сильными и слабыми взаимодействиями. Различают четыре уровня структурной организации белковой молекулы: первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуры.

Первичная структура белка представляет собой последовательность аминокислотных остатков, соединенных между собой пептидными связями.

Впервые предположение о роли пептидных связей в построении белковых молекул было выдвинуто русским биохимиком А. Я. Данилевским, идеи которого легли в основу полипептидной теории строения белков, сформулированной немецким химиком Э. Фишером в 1902 г.

Основу первичной структуры белковой молекулы образует регулярно повторяющийся пептидный остов — NH-CH-CO-, а боковые радикалы аминокислот составляют ее вариабельную часть.

Первичная структура белка прочная, т. к. в основе ее построения лежат ковалентные по характеру пептидные связи, представляющие собой сильные взаимодействия;

Соединяясь между собой в различной последовательности, протеиногенные аминокислоты образуют изомеры. Из трех аминокислот можно построить шесть различных трипептидов. Например, из глицина, аланина и валина - гли-ала-вал, гли-вал-ала, ала-гли-вал, ала-вал-гли, вал-гли-ала и вал-ала-гли. Из четырех аминокислот можно образовать 24 тетрапептида, а из пяти - 120 пентапептидов. Из 20 аминокислот можно построить 2 432 902 008 176 640 000 полипептидов. При этом каждая аминокислота используется в построении рассмотренных полипептидных цепочек только один раз.

Многие природные полипептиды насчитывают в своем составе сотни и даже тысячи аминокислотных остатков, и каждая из 20 протеиногенных аминокислот может встречаться в их составе неоднократно. Поэтому число возможных вариантов полипептидных цепочек бесконечно велико. Однако в природе реализуются далеко не все теоретически возможные варианты аминокислотных последовательностей.

Первым белком, первичная структура которого была расшифрована, является бычий инсулин. Его молекула состоит из двух полипептидных цепочек, одна из которых содержит 21, а другая - 30 аминокислотных остатков. Цепочки соединяются между собой двумя дисульфидными связями. Еще одна дисульфидная связь располагается внутри короткой цепи. Последовательность расположения аминокислотных остатков в молекуле инсулина установил английский биохимик Ф. Сэнгер в 1953 г.

Таким образом, Ф. Сэнгер подтвердил полипептидную теорию строения белковой молекулы Э. Фишера и доказал, что белки - это химические соединения, обладающие определенной структурой, которую можно изобразить с помощью химической формулы. К настоящему времени расшифрованы первичные структуры нескольких тысяч белков.

Химическая природа каждого белка уникальна и тесно связана с его биологической функцией. Способность белка выполнять присущую ему функцию определяется его первичной структурой. Даже небольшие изменения в последовательности аминокислот в белке могут привести к серьезному нарушению в его функционировании, возникновению тяжелого заболевания.

Болезни, связанные с нарушениями первичной структуры белка, получили название молекулярных. К настоящему времени открыто несколько тысяч таких болезней.

Одной из молекулярных болезней является серповидноклеточная анемия, причина которой кроется в нарушении первичной структуры гемоглобина. У людей с врожденной аномалией структуры гемоглобина в полипептидной цепочке, состоящей из 146 аминокислотных остатков, в шестом положении находится валин, тогда как у здоровых людей на этом месте - глутаминовая кислота. Аномальный гемоглобин хуже транспортирует кислород, а эритроциты крови больных имеют серповидную форму. Заболевание проявляется в замедлении развития, общей слабости организма.

Первичная структура белка задана генетически. Это дает возможность организмам одного вида поддерживать постоянство набора белков. Однако у разных видов живых организмов белки, выполняющие одинаковую функцию, не идентичны по первичной структуре - на отдельных участках полипептидной цепи они могут иметь неодинаковые последовательности аминокислот. Такие белки называются гомологичными (греч. «гомология» - согласие).

Исследования кон формации белковых молекул показали, что полипептидные цепи не вытягиваются строго линейно, а определенным образом сворачиваются в пространстве, образуя вторичную структуру.

Вторичная структура белка представляет собой сочетание упорядоченных и аморфных участков полипептидной цепи.

Изучая кристаллические структуры соединений, содержащих амидные группы, американский биохимик Л. Полинг установил, что длина пептидной связи близка к длине двойной связи и составляет 0,1325 нм. Поэтому свободное вращение атомов углерода и азота вокруг пептидной связи затруднено.

Кроме того, атомы пептидных групп и α-углеродные атомы располагаются в полипептидной цепи приблизительно в одной плоскости. В связи с этим повороты в полипептидной цепи могут совершаться только по связям, примыкающим к углеродным атомам.

За счет поворотов пептидных групп вокруг α-углеродных атомов, как установили Л. Полинг и Р. Кори в начале 50-х годов прошлого века, полипептидная цепочка сворачивается в α-спираль и стабилизируется за счет образования максимально возможного числа водородных связей.

При образовании вторичной структуры белковой молекулы водородные связи возникают между атомами пептидных групп, расположенными на соседних витках ос-спирали друг против друга. Атом водорода, соединенный ковалентной связью с атомом азота, имеет некоторый положительный заряд. Атом кислорода, соединенный двойной связью с атомом углерода, имеет некоторый отрицательный заряд. Водородный атом, оказавшись напротив атома кислорода, связывается с ним водородной связью. Водородная связь слабая. Однако за счет образования большого числа этих связей обеспечивается сохранение строго упорядоченной структуры.

Водородные связи всегда направлены параллельно воображаемой оси а-спирали, а радикалы аминокислот - наружу от ее витков. Пептидные группы соединяются между собой водородными связями преимущественно через четыре аминокислотных остатка, так как именно их О-С- и H-N-группы оказываются пространственно сближенными.

А-Спираль является правозакрученной. Если смотреть на нее с торца, со стороны N-конца, то закручивание полипептидной цепочки происходит по часовой стрелке. Установлены параметры а-спирали. Расстояние между соседними витками (шаг спирали) составляет ∅54 нм, а внутренний диаметр спирали - 1,01 нм. Один полный виток спирали включает в себя 3,6 аминокислотных остатка. Полное повторение структуры α-спирали происходит каждые 5 витков, включающих в себя 18 аминокислотных остатков. Этот отрезок α-спирали называется периодом идентичности и составляет в длину 2,7 нм.

Полипептидные цепочки сворачиваются в а-спираль не на всем своем протяжении. Процентное содержание заспирализованных участков в белковой молекуле называется степенью спирализации . Белки существенно различаются по степени спирализации, например: для гемоглобина крови она очень высокая - 75%, для инсулина также довольно высокая - 60%, для альбумина куриного яйца значительно ниже - 45%, а для химотрипсиногена (неактивного предшественника фермента пищеварения) крайне низкая - всего 11%.

Различия в степени спирализации белков связаны с рядом факторов, мешающих регулярному образованию водородных связей между пептидными группами. К нарушению спирализации приводит, в частности, образование остатками цистеина дисульфидных связей, соединяющих различные участки одной или нескольких полипептидных цепей. В области, близкой к остатку иминокислоты пролина, вокруг α-углеродного атома которого невозможно вращение соседних атомов, в полипептидной цепи образуется изгиб.

Ряд протеиногенных аминокислот обладают такими радикалами, которые не позволяют им принимать участие в формировании α-спирали. Эти аминокислоты образуют параллельно расположенные складки, соединенные друг с другом водородными связями. Такой тип регулярного участка полипептидной цепи получил название структуры складчатого слоя, или β-структуры.

В отличие от а-спирали, имеющей стержневую форму, β-структура имеет форму складчатого листа. Она стабилизируется водородными связями, возникающими между пептидными группами, расположенными на соседних отрезках полипептидной цепи. Эти отрезки могут быть направлены либо в одну сторону - тогда образуется параллельная β-структура, либо в противоположные - в этом случае возникает антипараллельная β-структура.

Пептидные группы в β-структуре располагаются в плоскостях складок, а боковые радикалы аминокислот - над и под плоскостями. Расстояние между соседними участками полипептидной цепи в структуре складчатого слоя составляет 0,272 нм, что соответствует длине водородной связи между группами -СО- и -NH-. Сами водородные связи располагаются перпендикулярно направлению структуры складчатого слоя. Содержание β-структуры в различных белках колеблется в широких пределах.

Некоторые участки полипептидных цепочек не имеют какой-либо упорядоченной структуры и представляют собой беспорядочные клубки. Такие участки называются аморфными (греч. «аморфос» - бесформенный). Однако в каждом белке аморфные участки имеют свою фиксированную конформацию. При этом в отличие от относительно жестких участков - α-спирали и β-структуры - аморфные клубки могут сравнительно легко изменять свою конформацию.

Белки различаются по содержанию разных типов вторичной структуры. Например, в структуре гемоглобина обнаружены только α-спирали. во многих ферментах присутствуют различные сочетания как α-спиралей так и β-структур, среди иммуноглобулинов встречаются белки, имеющие только β-структуру. Наконец, встречаются и такие белки, у которых упорядоченные участки присутствуют в незначительном количестве, а большая часть полипептидной цепочки имеет аморфную структуру.

Полипептидные цепочки со сформированной вторичной структурой определенным образом располагаются в пространстве, создавая еще один уровень структурной организации белковой молекулы - третичную структуру.

Третичная структура белка образуется в результате специфической укладки упорядоченных и аморфных участков полипептидной цепи в некотором объеме пространства. Она поддерживается за счет сильных и слабых взаимодействий, возникающих между боковыми радикалами остатков аминокислот. К сильным взаимодействиям относится дисульфидная связь, а к слабым - водородная и ионная связи, а также гидрофобные взаимодействия.

Дисульфидная связь образуется при взаимодействии двух близко расположенных радикалов остатков цистеина, содержащих свободные сульфгидрильные группы.

Дисульфидные мостики могут соединять между собой не только отдельные участки внутри одной полипептидной цепи, но и (при образовании четвертичной структуры белка) различные полипептидные цепочки.

Водородная связь может возникать между боковыми радикалами остатков аминокислот, содержащих ОН-группы, например, между двумя остатками серина.

Кроме радикалов остатков серина, подобным образом водородные связи могут образовывать радикалы остатков треонина и тирозина.

В формировании третичной структуры белковой молекулы также принимают участие множество водородных связей, возникающих между боковыми радикалами, например: тирозина и глутаминовой кислоты, аспарагина и серина, лизина и глутамина и др.

Ионные связи возникают при сближении отрицательно заряженных радикалов остатков кислых аминокислот - аспарагиновой или глутаминовой - с положительно заряженными радикалами остатков основных аминокислот - лизина, аргинина или гистидина. Ионная связь между радикалами остатков аспарагиновой кислоты и лизина.

Гидрофобные взаимодействия возникают в воде, вследствие притяжения друг к другу неполярных радикалов остатков аминокислот. К аминокислотам с неполярными радикалами относятся, например, аланин, валин, лейцин, изолейцин, фенилаланин, метионин. Гидрофобное взаимодействие между боковыми радикалами остатков валина и аланина.

Чтобы избежать контакта с водой, неполярные радикалы остатков аминокислот стремятся собраться вместе внутри белковой молекулы. Белок сворачивается в компактное тело - глобулу (лат. «globulus» - шарик). Внутри глобулы образуется гидрофобное ядро, а снаружи нее находятся полярные радикалы остатков аминокислот, которые взаимодействуют с водой. Полярными радикалами обладают, например, кислые и основные аминокислоты, серии, треонин, тирозин, аспарагин, глутамин.

Таким образом, каждая белковая глобула окружена гидратной оболочкой, представленной так называемой «водяной шубой», включающей также структурированные молекулы воды, способные удерживать на поверхности глобулы до половины имеющихся в полипептидной цепочке гидрофобных радикалов. Этим обусловлена растворимость белка.

Благодаря множеству межрадикальных взаимодействий, отдельные участки белковой молекулы оказываются пространственно сближенными и зафиксированными относительно друг друга. В ходе образования третичной структуры белка формируется его активный центр. В результате белок приобретает способность выполнять свою биологическую функцию.

Первым белком, третичная структура которого была установлена, является миоглобин.

Третичные глобулы могут взаимодействовать между собой так, что возникает единая молекула. Такие глобулы называют субъединицами, а их объединение - четвертичной структурой белковой молекулы.

Четвертичная структура белка может строиться из различного числа субъединиц, удерживаемых вместе, главным образом, за счет слабых взаимодействий. Она присуща многим белкам.

Субъединицы, характерным образом расположенные в пространстве относительно друг друга, образуют олигомерный (мультимерный) комплекс. Способность белков к образованию таких структур позволяет объединять в единое целое несколько активных центров и взаимосвязанных функций, что очень важно для обеспечения протекания в клетке сложных обменных процессов.

Четвертичные структуры белков могут строиться из 2, 4, 6, 8,10, 12, 24 и более субъединиц и редко - из нечетного их числа. Например, четвертичную структуру гемоглобина образуют четыре попарно одинаковых субъединицы.

Четвертичная структура белковой молекулы является такой же уникальной, как и другие ее структуры. При этом вся трехмерная упаковка полипептидной цепи в пространстве определяется ее первичной структурой. Специфическая пространственная структура (конформация), в которой белковые молекулы обладают биологической активностью, называется нативиой (лат. nativus - врожденный).

Под первичной структурой, уже знакомой нам из главы о пептидах (гл. 4), понимается последовательность аминокислот в полипептидной цепи (или цепях) и положение дисульфидных связей, если они имеются.

Вторичная структура

На этом структурном уровне описываются стерические взаимосвязи между расположенными близко друг к другу вдоль цепи аминокислотами. Вторичная структура может быть регулярной (а-спираль, складчатый -слой) или не обнаруживать никаких признаков регулярности (неупорядоченная конформация).

Третичная структура

Общее расположение, взаимную укладку различных областей, доменов и отдельных аминокислотных остатков одиночной полипептидной цепи называют третичной структурой данного белка. Четкой границы между вторичной и третичной структурами провести нельзя, однако под третичной структурой понимают стерические взаимосвязи между аминокислотными остатками, далеко отстоящими друг от друга по цепи.

Четвертичная структура

Если белки состоят из двух и более полипептидных цепей, связанных между собой нековалентными (не пептидными и не дисульфидными) связями, то говорят, что они обладают четвертичной структурой. Такие агрегаты стабилизируются водородными связями и электростатическими взаимодействиями между остатками, находящимися на поверхности полипептидных цепей. Подобные белки называют олигомерами, а составляющие их индивидуальные полипептидные цепи-протомерами, мономерами или субъединицами.

Многие олигомерные белки содержат два или четыре протомера и называются димерами или тетрамерами соответственно. Довольно часто встречаются олигомеры, содержащие более четырех протомеров, особенно среди регуляторных белков (пример - транскарбамоилаза). Олигомерные белки играют особую роль во внутриклеточной регуляции: их протомеры могут слегка менять взаимную ориентацию, что приводит к изменению свойств олигомера. Наиболее изученный пример - гемоглобин (гл. 16).

Роль первичной структуры в формировании более высоких уровней структурной организации белка

Вторичная и третичная структуры белка формируются самопроизвольно и определяются первичной структурой его полипептидной цепи. Параллельно синтезу цепи происходят ее локальное свертывание (образование вторичной структуры) и специфическая агрегация свернутых участков (формирование третичной структуры). Эти процессы детерминируются химическими группами, отходящими от атомов а-углерода соответствующих остатков. Например, обработка мономерного фермента рибонуклеазы мягким восстанавливающим агентом ф-меркаптоэтанолом) и денатурирующим агентом (мочевиной или гуанидином; см. ниже) приводит к инактивации белка и переходу его в неупорядоченную конформацию. Если медленно удалять денатурирующий агент и осуществлять постепенное реокисление, то вновь образуются S-S-связи и практически восстанавливается ферментативная активность. Нет никаких оснований думать, что существует независимый генетический контроль за формированием уровней структурной организации белка выше первичного, поскольку первичная структура специфически определяет и вторичную, и третичную, и четвертичную структуру (если она имеется)-т.е. конформацию белка. Нативной конформацией белка, в частности рибонуклеазы, по-видимому, является термодинамически наиболее устойчивая структура в данных условиях, т.е. при данных гидрофильных и гидрофобных свойствах среды.

Структура белка после его синтеза может модифицироваться (посттрансляционный процессинг); так, часто наблюдается превращение препрофермента в каталически активную форму или удаление «лидерной» последовательности, детерминирующей транспорт белков через мембраны (гл. 42).

Макромолекулярные белковые комплексы

Полифункциональные макромолекулярные комплексы, образующиеся в результате агрегации различных функциональных белков, каждый из которых обладает всеми четырьмя уровнями структурной организации, функционируют в цепи транспорта электронов (гл. 12), участвуют в биосинтезе жирных кислот (гл. 23) и метаболизме пирувата (гл. 18).

Белки являются органическими веществами. Эти высокомолекулярные соединения характеризуются определенным составом и при гидролизе распадаются на аминокислоты. Белковые молекулы могут быть самых различных форм, многие из них состоят из нескольких полипептидных цепей. Информация о строении белка закодирована в ДНК, а сам процесс синтеза белковых молекул называется трансляцией.

Химический состав белков

Усредненный белок содержит:

• 52% углерода;
• 7% водорода;
• 12% азота;
• 21% кислорода;
• 3% серы.

Белковые молекулы - это полимеры. Для того чтобы понять их структуру, необходимо узнать, что собой представляют их мономеры - аминокислоты.

Аминокислоты

Их принято делить на две категории: постоянно встречающиеся и иногда встречающиеся. К первым относится 18 и еще 2 амида: аспарагиновой и глутаминовой кислоты. Иногда встречающихся кислот всего три.

Эти кислоты можно классифицировать разными способами: по характеру боковых цепей или заряженности их радикалов, также их можно делить по числу групп CN и COOH.

Первичная структура белка

Порядок чередования аминокислот в белковой цепочке определяет его последующие уровни организации, свойства и функции. Основным между мономерами является пептидная. Она образуется путем отщепления водорода от одной аминокслоты и ОН-группы от другой.

Первый уровень организации белковой молекулы - это последовательность аминокислот в ней, попросту цепочка, которая определяет строение молекул белков. Она состоит из «скелета», имеющего регулярную структуру. Это повторяющаяся последовательность -NH-CH-CO-. Отдельные боковые цепи представлены радикалами аминокислот (R), их свойства определяют состав строения белков.

Даже если строение молекул белков одинаково, они могут отличаться свойствами только от того, что у их мономеров различная последовательность в цепочке. Порядок расположения аминокислот в белке определяется генами и диктует белку определенные биологические функции. Последовательность мономеров в молекулах, отвечающих за одну и ту же функцию, часто близка у разных видов. Такие молекулы - одинаковые или сходные по организации и выполняющие у разных видов организмов одинаковые функции - гомологичные белки. Строение, свойства и функции будущих молекул закладываются уже на этапе синтеза цепочки аминокислот.

Некоторые общие черты

Строение белков было изучено достаточно давно, а анализ их первичной структуры позволил сделать некоторые обобщения. Для большего числа белков характерно присутствие всех двадцати аминокислот, из которых особенно много глицина, аланина, глутамина и мало триптофана, аргинина, метионина, гистидина. Исключениями являются лишь некоторые группы белков, например, гистоны. Они нужны для упаковки ДНК и содержат много гистидина.

Любые виды движения организмов (работа мышц, движение протоплазмы в клетке, мерцание ресничек у простейших и т. д.) осуществляют белки. Строение белков позволяет им двигаться, образовывать волокна и кольца.

Транспортная функция заключается в том, что многие вещества переносятся через клеточную мембрану особыми белками-переносчиками.

Гормональная роль этих полимеров понятна сразу: ряд гормонов по строению являются белками, например инсулин, окситоцин.

Запасная функция определяется тем, что белки способны образовывать отложения. Например, вальгумин яйца, казеин молока, белки семян растений - в них хранится большое количество питательных веществ.

Все сухожилия, суставные сочленения, кости скелета, копыта образованы белками, что подводит нас к очередной их функции - опорной.

Белковые молекулы являются рецепторами, осуществляя избирательное узнавание некоторых веществ. В такой роли особенно известны гликопротеины и лектины.

Важнейшие факторы иммунитета - антитела и по происхождению являются белками. Например, процесс свертывания крови основан на изменениях белка фибриногена. Внутренние стенки пищевода и желудка выстланы защитным слоем слизистых белков - лицинов. Токсины также являются белками по происхождению. Основу кожи, предохраняющей тело животных, составляет коллаген. Все эти функции белков являются защитными.

Ну и последняя по счету функция - регуляторная. Существуют белки, которые управляют работой генома. То есть они регулируют транскрипцию и трансляцию.

Какую бы важную роль ни играли белки, строение белков было разгадано учеными довольно давно. И теперь они открывают все новые пути использования этих знаний.