Давайте поговорим о роли слабых взаимодействий в биологических макромолекулах. Хотя они и слабые, их влияние на живые организмы отнюдь не ничтожно. Скромный набор видов слабых связей в биополимерах обусловливает всё многообразие биологических процессов, на первый взгляд никак не связанных между собой: передачу наследственной информации, ферментативный катализ, обеспечение целостности организма, работу природных молекулярных машин. А определение «слабые» не должно вводить в заблуждение - роль этих взаимодействий колоссальна.
Эта работа публикуется в рамках конкурса научно-популярных статей , проведенного на конференции «Биология - наука 21 века» в 2015 году.
Почему статья названа именно так? Потому что до сравнительно недавнего времени слабым взаимодействиям в химии (в биохимии, в частности, тоже) уделялось явно недостаточное внимание. Исследователи рассуждали приблизительно так: «Ковалентная связь прочная, поэтому свойства любого вещества определяются в первую очередь характером ковалентных взаимодействий между атомами. А слабые взаимодействия - водородные, ионные, электростатические связи - на то и слабые, что их роль в формировании свойств вещества второстепенная». Только с развитием таких неклассических направлений в химии, как супрамолекулярная и координационная химия, к слабым взаимодействиям появился должный интерес. Более того, выяснилось, что в функционировании живой клетки слабые взаимодействия между атомами и молекулами зачастую играют главную роль.
Дело в том, что наряду с видимым недостатком, вытекающим из самогό определения «слабый» (водородная связь, к примеру, в 15–20 раз менее прочна, чем «сильная» ковалентная), у интересующих нас взаимодействий есть и преимущество - они значительно легче возникают и рвутся. Для образования или разрыва ковалентных связей требуется химическая реакция с затратой энергии, длящаяся внушительный промежуток времени, нуждающаяся в катализе , и так далее. А для формирования слабых взаимодействий достаточно изменения конформации молекулы*. И если упомянутую живую клетку рассматривать как сложную молекулярную машину, то именно слабые взаимодействия оказываются в ней рычагом самого тонкого управления, чутко и, главное, быстро реагирующим на любые изменения внешней среды.
* - Невнимание к таким взаимодействиям дорого обходится биологам, фармацевтам и даже больным - часто именно в области конформационной динамики биомолекул кроется разгадка селективности лекарств и коварных эволюционных планов по развитию резистентности: « » . - Ред.
Связанные одной цепью
Рисунок 1. Предположения о структуре белка в двадцатые-тридцатые годы ХХ века.
Однако еще несколько десятилетий назад об этой роли слабых взаимодействий в живых системах никто не догадывался. К примеру, на исходе XIX века Эмиль Фишер доказал, что белок является линейным полиамидом , состоящим из остатков α-аминокислот . В наши дни это представление стало аксиомой. Теперь уже мало кто помнит о том, что в первой четверти ХХ века самые маститые ученые усомнились в правоте Фишера и высказали ряд своих предположений о структуре белка - достаточно оригинальных, хотя в настоящее время представляющих чисто исторический интерес (рис. 1). Ход их рассуждений был приблизительно таков. Если белок, по Фишеру, является линейным полимером, то он должен представлять собой нитевидную молекулу, сворачивающуюся в беспорядочный клубок. Каким образом такая молекула выполняет биологические функции? Следует добавить, что в то время уже возникли представления о глобулярных белках . Компактная глобулярная форма белковой молекулы на первый взгляд расходилась с представлениями немецкого химика.
В свете представлений 20–30-х годов прошлого века белковая глобула представляет собой сшитый полимер, состоящий из устойчивых шестичленных циклов, соединенных, разумеется, прочными ковалентными связями. По представлениям русского химика (и создателя угольного противогаза) Н.Д. Зелинского , например, белок состоит из дикетопиперазиновых циклов, представляющих собой внутренние амиды аминокислот. Ряд других химиков представлял белковую глобулу как конденсированную полиароматическую систему, включающую в себя азотистые гетероциклы , а наличие аминокислот в белковых гидролизатах, по их мнению, артефакт, возникающий в результате раскрытия гетероциклов при гидролизе.
Только начиная с сороковых годов ХХ века усилиями таких выдающихся ученых, как Лайнус Полинг , Розалинд Франклин , Джеймс Уотсон , Фрэнсис Крик и Морис Уилкинс , была показана возможность формирования устойчивых структур биополимеров за счет слабых взаимодействий. Дж. Уотсону, Ф. Крику и М. Уилкинсу в 1962 году была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине за «открытия в области молекулярной структуры нуклеиновых кислот и их значимости для передачи генетической информации». Р. Франклин, к сожалению, до заслуженной премии не дожила (зато Л. Поллинг становился нобелиатом дважды). В те годы стало ясно, что будь белковая глобула сшитым полициклом, она бы, конечно, отличалась высокой устойчивостью, но биологические функции выполнять не смогла, поскольку не была бы способна реагировать на внешние воздействия. Это была бы «мертвая» молекула.
В этом месте следует обратить внимание на любопытный факт. Несмотря на то, что теория Зелинского не подтвердилась, она послужила толчком для формирования химии дикетопиперазинов - направления, приведшего к созданию ряда лекарственных препаратов. Вторичные метаболиты дикетопиперазиновой природы, в том числе и с лекарственной активностью, обнаружены и в живой природе, пусть не в составе белков. Так изначально неверная гипотеза принесла полезный практический результат - явление, встречающееся в науке нередко.
Bond. Hydrogen Bond
Рисунок 2. Водородные связи в белках.
Одним из самых распространенных видов слабых взаимодействий являются водородные связи , возникающие при наличии в молекулах полярных групп - гидроксилов, аминогрупп, карбонилов и т.д. В макромолекулах биополимеров, как правило, полярные группы широко представлены (за исключением разве что натурального каучука). Особенностью водородной связи является то, что ее прочность зависит не только от расстояния между группами, но и от их пространственного расположения (рис. 2). Самая прочная связь образуется, когда все три задействованных в ее образовании атома располагаются на одной прямой длиной около 3 Å. Отклонение на 20–30° считается критическим: дальнейшее увеличение угла ведет к катастрофическому снижению прочности вплоть до полного исчезновения связи. А это энергетически невыгодно. Поэтому водородные связи служат стабилизаторами структур биополимеров, придают им жесткость. Например, открытая Л. Полингом α-спираль - один из типов вторичной структуры белка - стабилизируется водородными связями, образующимися между атомами водорода при азоте и карбонильными группами пептидных связей на соседних витках спирали . В 1954 году «за изучение природы химической связи и его применение к объяснению строения сложных молекул» Полинг получил свою первую Нобелевскую премию - по химии. Второй (тоже «единоличной») - премии мира - он удостоился в 1962 г., но совсем за другую деятельность.
Слава двойной спирали
Изображенная на рисунке 3 изящная двойная спираль ДНК узнаваема сразу. Сейчас, пожалуй, ни одна голливудская постановка не обходится без изображения этой молекулы, которому малограмотные в естественных науках продюсеры фильмов придают поистине мистический смысл. На самом деле нативная ДНК состоит из двух зеркально отражающих друг друга (комплементарных) макромолекул, соединенных водородными связями наподобие застёжки «молния». Нуклеотиды , из которых состоят макромолекулы, содержат четыре азотистых основания, два из которых являются производными пурина (аденин и гуанин), а два других - производными пиримидина (тимин и цитозин). Отличительной особенностью этих веществ является способность избирательно формировать водородные связи друг с другом. Аденин легко образует двойную водородную связь с тимином или урацилом, однако комплекс с цитозином оказывается значительно менее прочным. Гуанин, напротив, склонен создавать тройную связь с цитозином. Другими словами, основания «узнают» друг друга. Причем сродство это столь велико, что комплексы аденин–тимин (А–Т) и гуанин–цитозин (Г–Ц) кристаллизуются как самостоятельные вещества.
Рисунок 3. Вверху: Стабилизирующие структуру ДНК водородные связи между азотистыми основаниями. Внизу: модель одного витка ДНК в B-форме, созданная на основе данных рентгеноструктурного анализа. Цвет атомов: кислород - красный, углерод - серый, водород - белый, азот - синий, фосфор - желтый. Рисунок с сайта www.visual-science.com .
Разумеется, так же они ведут себя и в составе полинуклеотидов. Водородные связи между А–Т и Г–Ц-парами сшивают между собой две нити ДНК, формируя знаменитую двойную спираль. Это же сродство оснований позволяет строить комплементарную полинуклеотидную цепочку на матрице существующей. Нуклеиновые кислоты - единственные известные науке молекулы, способные размножаться (реплицироваться). Это свойство позволило им стать носителями наследственной информации .
Очевидно, что тройная водородная связь в паре Г–Ц прочнее, чем двойная в А–Т. Судя по всему, это, как и физико-химическое сродство между первичными аминокислотами и определенными нуклеотидами, сыграло немалую роль в становлении генетического кода . ДНК, богатые Г–Ц-парами, подвергаются тепловой денатурации (говоря профессиональным языком молекулярных биологов - «плавятся», хотя к процессу плавления в строгом смысле слова денатурация ДНК не относится) при более высокой температуре. Например, ДНК термофильных бактерий денатурирует при температуре, приближающейся к 100 °С, а искусственная ДНК, состоящая из одних А–Т-пар - всего при 65 °С. «Плавление» ДНК косвенно проявляется через гиперхромный эффект - усиление поглощения ультрафиолетового света с длиной волны 280 нм азотистыми основаниями, которые в нативной молекуле ДНК упакованы внутрь спирали и поглощают слабо.
Выходит, что фундамент жизни - наследственность - сводится к формированию водородных связей. А ведь наследственность - только один из множества примеров. Вся молекулярная биология держится на межмолекулярном распознавании , а оно, в свою очередь, - на слабых взаимодействиях. Это все генетические ферменты, рибосома, тРНК, РНК-интерференция и т.д. Это иммунитет. Это многочисленные варианты взаимодействия рецептор-лиганд . В конечном итоге - сама жизнь!
Разумеется, создав совершенный механизм передачи наследственной информации, природа позаботилась и о способе его поломки. Миметики пиримидиновых оснований 5-галогенурацилы (5-фторурацил, 5-бромурацил и др.) относятся к классу супермутагенов - в их присутствии частота генных мутаций возрастает на несколько порядков. Вероятно, данное свойство 5-галогенурацилов связано с существованием их в двух таутомерных формах: в нормальной кетоформе они образуют двойную водородную связь с аденином, «выдавая» себя за тимин, а в редкой енольной форме становятся аналогами цитозина и образуют тройную связь с гуанином (рис. 4). Такое «двуличие» 5-галогенурацилов ведет к нарушению строгости репликации и возможному закреплению мутации, если им удается встроиться в нуклеотид .
Рисунок 4. Механизм мутагенного воздействия 5-галогенурацилов (на примере 5-бромурацила).
Сила имени Ван-дер-Ваальса
Рисунок 5. Характерные параметры потенциалов Ван-дер-Ваальсовых взаимодействий.
Водородные связи, конечно же, не единственный вид слабых взаимодействий. Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия играют в живой природе не меньшую роль.
Головоломка-«змейка», или Сказ о торсионных углах
Молекулы биополимеров зачастую имеют очень высокую молекулярную массу - до сотен тысяч и даже миллионов дальтон. Столь массивные молекулы содержат бесчисленное множество атомных групп и теоретически способны принимать астрономическое количество конформаций. На практике же любой биополимер в стандартных условиях стремится принять нативную конформацию, в которой он существует в живом организме. Сходу данный парадокс нелегко объяснить. В самом деле, что мешает гибкой молекуле при непрерывном тепловом движении менять свою геометрию бесконечно?
Ответ кроется в том, что изменение конформации молекулы полипептида всегда начинается с изменения углов между атомными группами основной цепи полипептида (на жаргоне называемой «бэкбоном»), так называемых торсионных углов , обозначаемых греческими буквами Φ (для связей углерод–азот) и Ψ (для связей углерод–углерод). Оказалось, что далеко не все теоретически предсказанные значения торсионных углов способны реализоваться в действительности.
Известные индийские ученые Рамачандран и Сасисекхаран исследовали конформации белковых цепей, и плодом их усилий стала карта конформаций, носящая их имя (рис. 6). Белое поле на карте - запрещенные значения углов, обведенное оранжевым и заштрихованное - разрешенные, но невыгодные, а обведенное красным и плотно заштрихованное - нативная конформация белка. Видно, что почти вся карта окрашена в белый цвет. Таким образом, нативная конформация белка в условиях живого организма - наиболее энергетически выгодная, и белок самопроизвольно принимает именно ее. Если бы биополимеры обладали большей конформационной свободой, четко отлаженная работа живой молекулярной машины стала бы невозможной .
Рисунок 6. Зависимость пространственной структуры полипептидов от торсионных углов. Слева: карта Рамачандрана-Сасисекхарана для запрещенных (белое поле) и разрешенных (заштрихованные поля) конформаций крупных аминокислотных остатков при вращении по торсионным углам Φ и Ψ в белковой цепи. (Именно эти углы определяют всё конформационное разнообразие линейных полипептидных цепочек.) По осям абсцисс и ординат откладываются значения углов Φ и Ψ от –180° до +180°. В обведенной красным области разрешены все конформации боковой группы по углу χ 1 для α-спиралей и β-складок; в обведенной оранжевым области часть углов χ 1 запрещена. (Углы χ определяют разрешенные положения для боковых заместителей аминокислотных остатков в белке, не влияя на пространственный тип укладки в целом.) Справа: Обозначения торсионных углов Φ и Ψ в полипептидной молекуле. Именно они позволяют белковым цепям принимать, как головоломке-«змейке», огромное разнообразие наблюдаемых типов укладки белковых молекул.
Современная компьютерная биофизика стремится построить реалистичную модель биополимеров, чтобы только на основании последовательности молекулы (ее первичной структуры) можно было бы предсказать пространственное строение, поскольку в природе мы наблюдаем, что именно так и происходит: процесс самопроизвольного сворачивания белка в «нативную» конформацию называют фолдингом (от англ. to fold - сворачивать, складывать). Однако понимание физики этого процесса еще далеко от идеального, и современные вычислительные алгоритмы, хотя и дают обнадеживающие результаты, пока далеки от окончательной победы в состязании .
Боязнь воды, и причем тут структура биомолекул
Большинство биополимеров в природе находится в водном окружении. А вода, в свою очередь, является сильно ассоциированной жидкостью, «сшитой» трехмерной сетью водородных связей (рис. 7). Этим объясняется аномально высокая температура кипения воды: даже жидкая вода имеет подобие кристаллической решетки. С такой структурой Н 2 О связана и избирательная растворимость в ней различных веществ. Соединения, способные образовывать водородные связи в силу наличия полярных групп (сахароза, этиловый спирт, аммиак), легко встраиваются в «кристаллическую решетку» воды и прекрасно растворимы. Вещества, лишенные полярных групп (бензол, четыреххлористый углерод, элементная сера), не способны «пробить» сеть водородных связей и смешаться с водой. Соответственно, первую группу веществ именуют «гидрофильными» (водолюбивыми), а вторую - «гидрофобными» (водоотталкивающими).
Рисунок 7. Гидрофобные связи в белке. Вверху слева: нормальный лед. Пунктир - Н-связи. В ажурной структуре льда видны небольшие полости, окруженные молекулами Н 2 О. Вверху справа: схема нерегулярной упаковки связанных водородными связями молекул Н 2 О вокруг неполярной молекулы. Внизу: доступная для воды поверхность внедренной в воду молекулы белка . Зеленые точки показывают центры граничащих с водой атомов; зеленая линия - их Ван-дер-Ваальсовы оболочки. Молекула воды представлена синим шариком (радиус 1,4 Å). Доступная для воды поверхность (красная линия) создается центром этого шарика, когда он обкатывает погруженную в воду молекулу, касаясь Ван-дер-Ваальсовых поверхностей ее внешних атомов.
Контакт воды с гидрофобной поверхностью энергетически крайне невыгоден. Вода стремится сохранить водородные связи, но на границе раздела фаз правильная трехмерная сеть образоваться не может (рис. 7). В результате здесь меняется структура воды: она становится более упорядоченной, молекулы утрачивают подвижность, т.е. фактически вода замерзает при температуре выше 0 °С! Естественно, вода стремится свести невыгодное взаимодействие к минимуму. Этим объясняется, например, то, почему мелкие капельки масла на поверхности воды стремятся слиться в одну большую каплю: фактически это сама водная среда сталкивает их вместе, стремясь уменьшить площадь поверхности контакта.
Белки и нуклеиновые кислоты содержат как гидрофильные, так и гидрофобные фрагменты. Поэтому молекула белка, оказавшись в водной среде, сворачивается в глобулу таким образом, что гидрофильные остатки аминокислот (глутамин, глутаминовая кислота, аспарагин, аспарагиновая кислота, серин) оказываются на ее поверхности и контактируют с водой, а гидрофобные (фенилаланин, триптофан, валин, лейцин, изолейцин) - внутри глобулы и контактируют друг с другом, т.е. образуют между собой гидрофобные контакты*. То есть процесс сворачивания белка в третичную структуру подобен процессу слияния капель масла, а характер третичной структуры каждого белка определяется взаимным расположением аминокислотных остатков. Отсюда правило - все последующие (вторичная, третичная и даже четвертичная) структуры белка определяются его первичной структурой.
* - Это до конца верно только для небольших и растворимых в воде белков, а белки, встроенные в биомембрану, или большие белковые комплексы могут быть устроены сложнее. Мембранные белки, например, организованы почти с точностью до наоборот, потому что контактируют не с полярным растворителем, а с гидрофобной средой липидного бислоя: « » . - Ред.
Как уже было сказано, двойная спираль ДНК образуется за счет водородных связей между основаниями. Однако в пределах каждой цепочки соседние азотистые основания уложены в «стопку» гидрофобными контактами (в данном случае называемыми «стэкинг-взаимодействиями »). Гидрофильный сахарофосфатный остов молекулы ДНК, в свою очередь, взаимодействует с водой.
Иными словами, нативная структура большинства биополимеров (за исключением, например, белков, погруженных в липидные мембраны клеток) формируется водным окружением - естественной средой внутри любого живого организма. С этим связана мгновенная денатурация биополимеров при контакте с органическими растворителями.
Благодаря гидрофильной поверхности нативные молекулы биополимеров покрыты объемной гидратной оболочкой («гидратной шубой»). О том, насколько велика и прочно связана эта шуба из молекул воды, свидетельствует тот факт, что все полученные белковые кристаллы примерно на 60% состоят из связанной воды. При этом трудно отказаться от мысли, что гидратная шуба является такой же неотъемлемой частью молекулы белка, как и сама полипептидная цепь, хотя такая идея противоречит устоявшимся представлениям об индивидуальности химических веществ. И всё же очевидно, что гидратная оболочка способна определять свойства биополимера и его функции, а популярные в наши дни представления о структурировании воды наполняются новым (научным) смыслом.
Заряд бодрости
Рисунок 8. Электростатическое взаимодействие между белком и водным окружением. Ориентация молекул воды (изображены в виде диполей) вокруг белка и заряда (изображен положительным просто для определенности).
Конечно, поверхности молекул биополимеров свойственна не только гидрофильность. Их поверхность, как правило, несет еще и электрический заряд. Белки содержат заряженные карбоксильные и аминогруппы, нуклеиновые кислоты - фосфатные группы, полисахариды - карбоксильные, сульфатные и боратные. Поэтому еще одним видом слабых взаимодействий, присущих биополимерам, являются ионные связи - как внутренние, между радикалами самой молекулы, так и внешние - с ионами металлов или с соседними макромолекулами (рис. 8).
Грамотная координация
Разумеется, нельзя не упомянуть еще один важный вид слабых взаимодействий - координационную связь . На рисунке 9 показан искусственный комплекс трехвалентного кобальта с синтетическим лигандом - этилендиаминтетрауксусной кислотой (ЭДТК, EDTA). Природные комплексы биополимеров, разумеется, имеют более сложную структуру, но в целом очень сходны с представленным. Комплексы с поливалентными металлами характерны для белков и полисахаридов. Металлопротеины представляют собой обширнейший класс биополимеров. К ним относятся белки-переносчики кислорода, многие ферменты, мембранные белки - звенья электронтранспортных цепей. Металлопротеины обладают ярко выраженной каталитической активностью. И хотя непосредственным катализатором является ион переходного металла, полипептидные цепи служат мощнейшим усилителем катализа, а кроме того, они способны направлять активность металла, подавлять его побочные каталитические свойства, тем самым на порядки повышая эффективность катализа. Таким способом достигается совершенство метаболических процессов и возможность необычайно тонкой их регуляции.
Рисунок 9. Координационные связи. а - Структура октаэдрического комплекса, образованного атомом Со 3+ с ЭДTК. б - Характерная координация центрального иона при различном соотношении его радиуса с радиусами окружающих его доноров электронов. Рисунок из .
Вторичные структуры
Для белков характерны два вида вторичных структур. Об α-спирали выше говорилось не раз. Здесь можно добавить только, что возможны α-спирали двух видов - правозакрученные (обозначаются буквой R) и левозакрученные (обозначаются буквой L). В природе известны только правозакрученные спирали - они значительно более стабильны (рис. 10). Разумеется, образование α-спирали возможно только из одного оптического изомера аминокислот.
Другая распространенная структура белка - складчатый β-лист. Если в α-спирали водородные связи образуются между витками, то в β-листе - между соседними тяжами, формирующими крупную складчатую двумерную структуру («лист»). Такая структура характерна для ряда фибриллярных белков, например, фиброина натурального шелка. Несмотря на то, что отдельно взятая водородная связь не отличается прочностью, благодаря огромному количеству и правильному чередованию таких связей достигается очень крепкое сшивание цепей. Это в свою очередь делает шелковую нить феноменально прочной на разрыв - более прочной, чем стальная проволока такого же диаметра.
Рисунок 10. Вторичные структуры белка. Вверху слева: правая α-спираль. а - Атомарная структура. R - боковые группы. Голубые линии - водородные связи. б - Схематическое изображение одного витка той же α-спирали (вид с торца). Стрелка показывает поворот спирали (в расчете на один остаток) по мере ее приближения к нам (номера остатков при этом убывают). Вверху справа: вторичная структура полипептидной цепи (α-спираль и тяж β-листа) и третичная структура - полипептидная цепь, уложенная в глобулу. Внизу слева: правые (R) и левые (L) спирали. Под ними показан отсчет положительного угла в тригонометрии, при этом «близкая к нам» стрелка вращается против хода часов (соответствует R-спирали). Внизу справа: лист β-структуры имеет складчатую поверхность. Боковые группы (маленькие отростки) расположены на складках и обращены в ту же сторону, что и складка, т.е. направленные вниз и вверх боковые группы чередуются вдоль β-тяжа. Рисунок из .
Весь спектр конформаций
О роли слабых взаимодействий в биополимерах свидетельствуют спектроскопические методы исследования. На рисунке 11 представлены фрагменты спектров ИК (инфракрасных) и КД (кругового дихроизма) синтетического полипептида полилизина, находящегося в трех конформациях - α-спирали, β-листа и неупорядоченного клубка. Поразительно, но спектры совершенно не совпадают, как будто бы сняты с трех различных веществ. То есть в данном случае слабые взаимодействия определяют свойства молекулы не в меньшей степени, чем ковалентные связи.
Рисунок 11. Сравнение спектров поглощения трех конформаций полилизина. Слева: характерные формы спектров КД (в «дальнем» УФ) для полилизина в конформации α-спирали, β-структуры и неупорядоченного клубка (r). Справа: характерные формы ИК-спектров пропускания, измеренных в тяжелой воде (D 2 O) для полилизина в тех же конформациях. Измерения в данном случае проводились в области «амид I», отражающей колебания С=О связи. Рисунок из .
Двадцать в степени N
Число конформаций белковых цепей многократно возрастает из-за обилия аминокислот, входящих в их состав. Протеиногенных аминокислот двадцать, и отличает их многообразие боковых радикалов. У глицина, например, боковой радикал сводится к единственному атому водорода, тогда как у триптофана он представляет собой массивный и сложный по структуре остаток скатола. Радикалы бывают гидрофобные и гидрофильные, кислые и основные, ароматические, гетероциклические и содержащие серу.
Разумеется, свойства боковых радикалов аминокислотных остатков отражаются на конформационных свойствах полипептидной цепи. Они, в частности, влияют на величины торсионных углов и вносят поправки в карты Рамачандрана. Еще от них зависит заряд белковой молекулы, ее изоэлектрическая точка - один из важнейших показателей свойств белка (рис. 12). Например, остаток аспарагиновой кислоты утрачивает отрицательный заряд только в сильнокислой среде, при рН 3. Остаток основной аминокислоты аргинина, напротив, теряет положительный заряд при рН 13 - в сильнощелочной среде. В щелочной среде, при рН 11, заряжается фенольный гидроксил тирозина, а при рН 10 то же самое происходит с сульфгидрильной группой цистеина. Большой интерес вызывает гистидин, радикал которого включает в себя имидазольный цикл: последний приобретает положительный заряд при рН 6, т.е. в физиологических условиях. Иными словами, взаимные превращения заряженной и незаряженной форм остатков гистидина происходят в организме постоянно. Эта легкость перехода определяет каталитическую активность остатков гистидина: данная аминокислота, в частности, входит в состав активных центров ряда ферментов, таких как нуклеазы.
Рисунок 12. Многообразие структур и свойств боковых радикалов аминокислот в составе белков. Вверху слева: боковые цепи двадцати стандартных аминокислотных остатков. Вверху справа: боковые группы, которые (если все они неполярные) могут формировать единые гидрофобные поверхности на α-спиралях и на β-структурных участках. Аналогичные сочетания полярных групп в цепи приводят к образованию гидрофильных областей на противоположных поверхностях α-спиралей и β-тяжей. Внизу: заряженность ионизуемых боковых групп, а также N-конца пептидной цепи (NH 2 -C α) и ее С-конца (C α -C’OOH) при разных рН. Рисунок из .
Двойная Тройная спираль
Как уже сказано выше, двойную спираль ДНК никому представлять не нужно. Тройная спираль коллагена значительно менее узнаваема, причем незаслуженно, ведь коллаген - главный белок организма хордовых животных (и человека), из него состоят соединительные ткани.
Коллаген отличает бедный аминокислотный состав: в нем отсутствуют ароматические аминокислоты, зато он обогащен глицином и пролином. Аминокислотная последовательность полипептидных цепей коллагена также необычна: аминокислоты чередуются в правильном порядке; каждым третьим остатком является глицин. Каждая цепочка коллагена закручена в особую левую спираль (напомню, что α-спираль почти всегда правая), а вместе цепочки скручиваются в правую тройную («коллагеновую») суперспираль (рис. 13).
Рисунок 13. Модель суперспирали коллагена и ее формирование.
Слева:
модель для последовательности (глицин–пролин–пролин) n . Каждая цепь выделена своим цветом. Отмечены завязывающие водородные связи Н-атомы NH-групп глицина (синим) и О-атомы СО-групп первого пролина тройки Gly–Pro–Pro (красным). При этом Gly цепи «1» завязывает связь с цепью «2», а Pro - с цепью «3» и т.д. Завиваясь вокруг двух других, каждая цепь коллагена образует правую
суперспираль. «Супер» - потому что на более мелком масштабе, на масштабе конформаций отдельных остатков, коллагеновая цепь уже образует спираль типа poly(Pro)II (эта «микроспираль» - левая
); ее можно проследить по направлению пролиновых колец.
Справа:
образование коллагена in vivo
. Шаг 1
. Биосинтез про- α 1 -цепей и про- α 2 -цепей (по 1300 остатков в каждой) в пропорции 2:1. Шаг 2
. Гидроксилирование некоторых остатков Pro и Lys. Шаг 3
. Присоединение сахаров (GLC-GAL) к гидроксилированным остаткам. Шаг 4
. Образование тримера и S-S-связей на его концах. Шаг 5
. Образование тройной спирали в середине проколлагена. Шаг 6
. Секреция проколлагена во внеклеточное пространство. Шаг 7
. Отщепление глобулярных частей. Шаги 8–10
. Спонтанное образование фибрилл из тройных суперспиралей, окончательная модификация аминокислотных остатков и образование ковалентных сшивок модифицированных остатков коллагеновых цепей. Рисунок из .
На этом особенности коллагена не кончаются. Некоторые остатки пролина и лизина в его составе гидроксилированы (3-гидроксипролин, 4-гидроксипролин, 5-гидроксилизин) и образуют дополнительные водородные связи, стабилизирующие и упрочняющие белковую фибриллу. Еще бόльшие возможности для формирования водородных связей создает то, что ряд остатков гликозилирован по гидроксильным группам, а некоторые гидроксилы гидроксилизина окислены до кетогруппы.
Гидроксилирование аминокислотных остатков коллагена невозможно в отсутствии аскорбиновой кислоты (витамина С). Поэтому при недостатке данного витамина в пище человека и животных, неспособных к самостоятельному биосинтезу аскорбиновой кислоты, развивается тяжелое заболевание - цинга . При цинге в организме синтезируется аномальный коллаген, лишенный прочности. Соответственно, соединительные ткани становятся очень хрупкими - разрушаются дёсны, прикосновение к телу вызывает боль и гематому. Питание фруктами, богатыми аскорбиновой кислотой, быстро устраняет симптомы цинги. Следует подчеркнуть, что причиной этих симптомов является отсутствие характерной для нормального коллагена системы водородных связей, образуемой остатками гидроксиаминокислот.
Энергетический ландшафт
Выше неоднократно говорилось о том, что нативная конформация биополимеров энергетически наиболее выгодна, и молекула в стандартных для себя условиях стремится принять именно ее. Чтобы убедиться в этом, достаточно взглянуть на карту энергетического ландшафта макромолекулы (рис. 14). Самая глубокая «впадина» на ней соответствует нативной конформации (энергетический минимум), а самые высокие «горные пики», понятно, принадлежат самым невыгодным, напряженным структурам, принимать которые молекула избегает. Обращает на себя внимание то, что соответствующий нативной конформации глобальный минимум отделен от остальных впадин широким пространством - «энергетической щелью». Это затрудняет спонтанный переход макромолекулы из нативной конформации в какую-либо другую, тоже энергетически выгодную . Надо сказать, что в данном правиле есть исключения - функции ряда биополимеров связаны с переходом из одной конформации в другую, у них и энергетический ландшафт другой . Но такие исключения только подтверждают общее правило.
Рисунок 14. Самосборка третичной структуры белка. Слева: один из возможных путей последовательного сворачивания белка. Все промежуточные состояния имеют высокую свободную энергию и потому не накапливаются при сворачивании и не могут наблюдаться непосредственно. Справа: схематическое изображение энергетического ландшафта белковой цепи. (На рисунке мы можем изобразить только две координаты, описывающих конформацию белковой цепи, тогда как реальная конформация описывается сотнями координат.) Широкая щель между глобальным энергетическим минимумом и прочими энергетическими минимумами необходима для того, чтобы стабильная укладка цепи разрушалась только путем термодинамического перехода типа «всё-или-ничего»; это обеспечивает надежность функционирования белка - по принципу «всё-или-ничего», как у электрической лампочки.
Тем не менее спонтанная правильная укладка биополимера наблюдается далеко не всегда. Например, приготовление яичницы есть ни что иное, как тепловая денатурация яичного белка. Но никто до сих пор не наблюдал, чтобы, остывая, яичница ренатурировала обратно в сырое яйцо. Причиной этому служит неупорядоченное взаимодействие между собой полипептидных цепей, их сплетение в единый клубок. Такого рода стабилизация денатурированного состояния наблюдается и в живой ткани, скажем, при том же самом термическом воздействии. Эволюция предусмотрела решение и этой проблемы, создав так называемые белки теплового шока . Эти агенты названы так потому, что интенсивно вырабатываются в организме при термических ожогах. Их задача - помочь денатурированным макромолекулам вернуть нативную структуру. Белки теплового шока еще называют шаперонами , т.е. «няньками». Для них характерно наличие вместительной полости, в которую помещаются фрагменты денатурированных молекул и где создаются оптимальные условия для правильной укладки цепей. Таким образом, функция шаперонов сводится к устранению стерических препятствий на пути самопроизвольной ренатурации биополимеров.
Не только белки, но и углеводы
Рисунок 15. Водородные связи в полисахаридах. Слева: в целлюлозе соседние остатки глюкозы повернуты на 180°, что позволяет им образовать две Н-связи. Это делает невозможным перемещение остатков друг относительно друга, и молекула целлюлозы представляет собой жесткую, негнущуюся нить. Такие нити образуют водородные связи между собой, формируя микрофибриллы , которые объединяются в фибриллы - жгуты с высокой механической прочностью. Справа: другая конфигурация связей между мономерами в амилозе приводит к тому, что водородные связи образуются между остатками глюкозы, находящимися в цепи далеко друг от друга. Поэтому амилоза образует спиральные структуры, в которых на один виток приходится 6 остатков глюкозы, т.е. водородными связями соединены первый и шестой остатки, второй и седьмой, третий и восьмой и т.д.
До сих пор речь шла фактически только о двух классах биополимеров - белках и нуклеиновых кислотах. Но есть и третий большой класс - полисахариды , которых мы традиционно упустили из вида.
Молекулярные биологи всегда относились к полисахаридам с некоторым пренебрежением, как к грубой субстанции. Дескать, нуклеиновые кислоты - это интересный объект исследования, они - носитель генетической информации. Белки тоже интересны, к ним относятся почти все ферменты. А полисахариды всего-навсего энергетический запас, топливо живого организма или строительный материал, не более. Разумеется, данный подход неверен и постепенно изживает себя. Теперь мы знаем, что полисахариды и их производные (в частности, протеогликаны) играют ключевую роль в регуляции клеточной деятельности. Например, рецепторы клеточной поверхности представляют собой разветвленные молекулы полисахаридной природы, а роль полисахаридов клеточных стенок растений в регуляции жизнедеятельности самого растения еще только начала выясняться, хотя уже получены интереснейшие данные.
Нас же интересует роль слабых взаимодействий, которая у полисахаридов проявляется, пожалуй, даже сильнее, чем у других биополимеров. С первого взгляда ясно, что хлопковая вата и картофельный крахмал не одно и то же, хотя химическое строение целлюлозы и амилозы (неразветвленной фракции крахмала) очень сходное. Оба вещества представляют собой (1→4)-D-глюканы - гомополимеры, состоящие из остатков D-глюкозы в форме пиранозных циклов, соединенных друг с другом гликозидными связями в положениях 1 и 4 (рис. 15). Разница в том, что амилоза - это α-(1→4)-D-глюкан (в ней остатки глюкозы не повернуты относительно друг друга), а целлюлоза - β-(1→4)-D-глюкан (в ней каждый остаток глюкозы повернут на 180° относительно двух своих соседей). В результате макромолекулы целлюлозы оказываются выпрямленными и образуют прочную сеть водородных связей как между собой, так и внутри каждой макромолекулы. Пучок таких макромолекул образует фибриллу . Внутри фибриллы макромолекулы упакованы настолько плотно и упорядоченно, что формируют кристаллическую структуру, редкую для полимеров. Фибриллы целлюлозы по механической прочности приближаются к стали и инертны до такой степени, что выдерживают действие уксусно-азотного реактива (горячей смеси азотной и уксусной кислот). Вот почему целлюлоза выполняет в растениях опорные, механические функции. Она является каркасом клеточных стенок растений, фактически их скелетом. Очень сходное строение имеет хитин - азотистый полисахарид клеточных стенок грибов и наружного скелета многих беспозвоночных животных.
Амилоза структурирована иначе. Ее макромолекулы имеют форму широкой спирали, на каждый виток которой приходится шесть глюкозных остатков. Каждый остаток связан водородной связью с шестым от себя «собратом». Спираль имеет вместительную внутреннюю полость, в которую могут проникать комплексообразователи (например, молекулы йода, образующего с крахмалом комплекс синего цвета). Такая структура делает амилозу рыхлой и непрочной. В отличие от целлюлозы она легко растворяется в воде, образуя вязкий клейстер, и не менее легко гидролизуется. Поэтому в растениях амилоза вместе с разветвленным амилопектином играет роль резервного полисахарида - хранилища глюкозы.
Итак, все приведенные в статье данные свидетельствуют о колоссальной роли, которую играют слабые взаимодействия в живом организме. Статья не претендует на научную новизну: самое главное, что уже известные факты рассмотрены в ней с несколько нетривиальной точки зрения. Можно лишь напомнить о том, что уже прозвучало в начале - слабые связи в значительно большей степени годятся на роль рычагов управления молекулярной машиной, чем ковалентные . А то, что они столь широко представлены в живых системах и несут столько полезных функций, лишь подчеркивает гениальность Природы. Надеюсь, что прозвучавшие в этой статье сведения заинтересуют и тех, кто занимается созданием искусственных молекулярных машин: следует помнить о том, что мир един, живой и неживой природой управляют одни и те же законы. Не стоим ли мы у истока новой науки - молекулярной бионики У истоков генетического кода: родственные души Физическая водобоязнь ;
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 |
Первичная структура – определенная последовательность нуклео-тидов в цепи. Образована фосфодиэфирными связями. Начало цепи – 5"-конец (на его конце фосфатный остаток), конец, завершение цепи, обозначается как 3"(ОН)-конец.
Как правило, в образовании самой цепи азотистые основания не участвуют, но водородные связи между комплементарными азотистыми основаниями играют важную роль в формировании вторичной структуры НК:
· между аденином и урацилом в РНК или аденином и тимином в ДНК образуются 2 водородные связи,
· между гуанином и цитозином – 3.
Для НК характерна линейная, а не разветвленная структура. Кроме первичной и вторичной структуры для большинства НК характерна третичная структура – например, ДНК, тРНК и рРНК.
РНК (рибонуклеиновые кислоты). РНК содержится в цитоплазме (90%) и ядре. По структуре и функции РНК делятся на 4 вида:
1) тРНК (транспортные),
2) рРНК (рибосомные),
3) мРНК (матричные),
4) яРНК (ядерные).
Матричные РНК. На их долю приходится не более 5% всей РНК клетки. Синтезируется в ядре. Этот процесс называется транскрипцией. Представляет собой копию гена одной из цепей ДНК. Во время биосинтеза белка (этот процесс называется трансляцией) проникает в цитоплазму и связывается с рибосомой, где и происходит биосинтез белка. В мРНК содержится информация о первичной структуре белка (последовательности аминокислот в цепочке), т.е. последовательность нуклеотидов в мРНК полностью соответствует последовательности аминокислотных остатков в белке. 3 нуклеотида, кодирующие 1 аминокислоту, называются кодоном.
Свойства генетического кода. Совокупность кодонов составляет генетический код. Всего в коде 64 кодона, 61 – смысловые (им соответствует определенная амино-кислота), 3 – нонсенс-кодоны. Им не соответствует какая-либо аминокислота. Эти кодоны называются терминирующими, так как подают сигнал о завершении синтеза белка.
6 свойств генетического кода:
1) триплетность (каждая аминокислота в белке кодируется последовательностью из 3 нуклеотидов),
2) универсальность (един для всех типов клеток – бактериаль-ных, животных и растительных),
3) однозначность (1 кодону соответствует только 1 аминокис-лота),
4) вырожденность (1 аминокислота может кодироваться несколькими кодонами; только 2 аминокислоты – метионин и триптофан имеют по 1 кодону, остальные – по 2 и более),
5) непрерывность (генетическая информация считывается по 3 кодона в направлении 5"®3" без перерывов),
6) колинеарность (соответствие последовательности нуклео-тидов в мРНК последовательности аминокислотных остатков в белке).
Первичная структура мРНК
Полинуклеотидная цепь, в которой выделяют 3 главные области:
1) претранслируемая,
2) транслируемая,
3) посттранслируемая.
Претранслируемая область содержит 2 участка:
а) КЭП-участок – выполняет защитную функцию (обеспе-чивает сохранение генетической информации);
б) АГ-область – место прикрепления к рибосоме во время биосинтеза белка.
Транслируемая область содержит генетическую информацию о структуре одного или нескольких белков.
Посттранслируемая область представлена последовательностью нуклеотидов, содержащих аденин (от 50 до 250 нуклеотидов), поэтому называется поли-А-областью. Эта часть мРНК выполняет 2 функции:
а) защитную,
б) служит «проездным билетом» во время биосинтеза белка, так как после однократного использования от мРНК отщепляется несколько нуклеотидов из поли-А-области. Ее длина определяет кратность использования мРНК в биосинтезе белка. Если мРНК используется только 1 раз, то она не имеет поли-А-области., а ее 3"-конец завершается 1 или несколькими шпильками. Эти шпильки называются фрагментами нестабильности.
Матричная РНК, как правило, не имеет вторичной и третичной структуры (по крайней мере, об этом ничего не известно).
Транспортные РНК. Составляют 12-15% от всей РНК в клетке. Количество нуклеотидов в цепи – 75-90.
Первичная структура – полинуклеотидная цепь.
Вторичная структура – для ее обозначения используют модель Р. Холли, которая называется «листом клевера», имеет 4 петли и 4 плеча:
Акцепторный участок – место прикрепления аминокислоты, имеет у всех тРНК одну последовательность ЦЦА
Обозначения:
I – акцепторное плечо, 7 пар нуклеотидов,
II – дигидроуридиловое плечо (3-4 пары нуклеотидов) и дигидроуридиловая петля (D-петля),
III – псевдоуридиловое плечо (5 пар нуклеотидов) и псевдоуридиловая петля (Tψ-петля),
IV– антикодоновое плечо (5 пар нуклеотидов),
V – антикодоновая петля,
VI – дополнительная петля.
Функции петель:
- антикодоновая петля – распознает кодон мРНК,
- D-петля – для взаимодействия с ферментом во время биосинтеза белка,
- TY-петля – для временного прикрепления к рибосоме во время биосинтеза белка,
- дополнительная петля – для уравновешивания вторичной структуры тРНК.
Третичная структура – у прокариотов в виде веретена (D-плечо и TY-плечо сворачиваются вокруг и образуют веретено), у эукариотов в виде перевернутой буквы L.
Биологическая роль тРНК:
1) транспортная (доставляет аминокислоту к месту синтеза белка, к рибосоме),
2) адапторная (распознает кодон мРНК), переводит шифр нуклеотидной последовательности в мРНК в последователь-ность аминокислот в белке.
Рибосомные РНК, рибосомы. На их долю приходится до 80% от всей РНК клетки. Образуют «скелет», или остов рибосом. Рибосомы – нуклеопротеиновые комплексы, состоящие из большого количества рРНК и белков. Это «фабрики» по биосинтезу белка в клетке.
Первичная структура рРНК– полинуклеотидная цепь.
По молекулярной массе и количеству нуклеотидов в цепи различают 3 вида рРНК:
- высокомолекулярную (около 3000 нуклеотидов);
- среднемолекулярную (до 500 нуклеотидов);
- низкомолекулярную (менее 100 нуклеотидов).
Для характеристики различных рРНК и рибосом принято использовать не молекулярную массу и количество нуклеотидов, а коэффициент седиментации (это скорость оседания в ультрацентрифуге). Коэффициент седиментации выражается в сведбергах (S),
1 S = 10-13секунд.
Например, одна из высокомолекулярных будет иметь коэффициент седиментации 23 S, средне- и низкомолекулярные соответственно 16 и 5 S.
Вторичная структура рРНК – частичная спирализация за счет водо-родных связей между комплементарными азотистыми основаниями, образование шпилек и петель.
Третичная структура рРНК – более компактная упаковка и наложе-ние шпилек в виде V- или U-образной формы.
Рибосомы состоят из 2 субъединиц – малой и большой.
У прокариотов малая субъединица будет иметь коэффициент седиментации 30 S, большая – 50 S, а вся рибосома – 70 S; у эукарио-тов соответственно 40, 60 и 80 S.
Состав, строение и биологическая роль ДНК. У вирусов, а также в митохондриях 1-цепочечная ДНК, в остальных клетках – 2-цепочечная, у прокариотов – 2-цепочечная кольцевая.
Состав ДНК – соблюдается строгое соотношение азотистых оснований в 2 цепях ДНК, которые определяются Правилами Чаргафа.
Правила Чаргафа:
- Количество комплементарных азотистых оснований равно (А=Т, Г=Ц).
- Молярная доля пуринов равна молярной доле пиримидинов (А+Г=Т+Ц).
- Число 6-кетооснований равно числу 6-аминооснований.
- Соотношение Г+Ц/ А+Т – коэффициент видовой специфичности. Для животных и растительных клеток < 1, у микроорганизмов колеблется от 0,45 до 2,57.
У микроорганизмов преобладает ГЦ-тип, АТ-тип характерен для позвоночных, беспозвоночных и растительных клеток.
Первичная структура – 2 полинуклеотидные, антипараллельные цепочки (см. первичную структуру НК).
Вторичная структура – представлена 2-цепочечной спиралью, внутри которой комплементарные азотистые основания уложены в виде «стопок монет». Вторичная структура удерживается за счет связей 2 типов:
- водородных – они действуют по горизонтали, между комплементарными азотистыми основаниями (между А и Т 2 связи, между Г и Ц – 3),
- силы гидрофобного взаимодействия – эти связи возникают между заместителями азотистых оснований и действуют по вертикали.
Вторичная структура характеризуется:
- количеством нуклеотидов в спирали,
- диаметром спирали, шагом спирали,
- расстоянием между плоскостями, образуемыми парой комплементарных оснований.
Известно 6 конформаций вторичной структуры, которые обозначаются заглавными буквами латинского алфавита: A, B, C, D, E и Z. А, В и Z конформации типичны для клеток, остальные – для бесклеточных систем (например, в пробирке). Эти конформации отличаются основными параметрами, возможен взаимный переход. Состояние конформации во многом зависит от:
- физиологического состояния клетки,
- рН среды,
- ионной силы раствора,
- действия различных регуляторных белков и др.
Например, В- конфомацию ДНК принимает во время деления клетки и удвоения ДНК, А-конформацию – во время транскрипции. Z-структура является левозакрученной, остальные – правозакрученные. Z-струк-тура может встречаться и в клетке на участках ДНК, где повторяются динуклеотидные последовательности Г-Ц.
Впервые вторичная структура математически была рассчитана и смоделирована Уотсоном и Криком (1953 г.), за что они получили Нобелевскую премию. Как оказалось впоследствии, представленная ими модель соответствует В-конформации .
Основные ее параметры:
- 10 нуклеотидов в витке,
- диаметр спирали 2 нм,
- шаг спирали 3,4 нм,
- расстояние между плоскостями оснований 0,34 нм,
- правозакрученная.
При формировании вторичной структуры формируется 2 вида бороздок – большая и малая (соответственно шириной 2,2 и 1,2 нм). Большие бороздки играют важную роль в функционировании ДНК, так как к ним присоединяются регуляторные белки, имеющие в качестве домена «цинковые пальцы».
Третичная структура – у прокариотов суперспираль, у эукариотов, и человека в том числе, имеет несколько уровней укладки:
- нуклеосомный,
- фибриллярный (или соленоидный),
- хроматиновое волокно,
- петельный (или доменный),
- супердоменный (именно этот уровень можно видеть в электронном микроскопе в виде поперечной исчерченности).
Нуклеосомный. Нуклеосома (открыта в 1974 г.) представляет собой частицу дисководной формы, диаметр 11 нм, которая состоит из гистонового октамера, вокруг которого двухцепочечная ДНК делает 2 неполных витка (1,75 витка).
Гистоны – низкомолекулярные белки, содержат по 105-135 амино-кислотных остатков, в гистоне Н1 – 220 аминокислотных остатков, до 30% приходится на долю лиз и арг.
Гистоновый октамер называют кором. Он состоит из центрального тетрамера Н32-Н42 и двух димеров Н2А-Н2В. Эти 2 димера стабилизируют структуру и прочно связывают 2 полувитка ДНК. Расстояние между нуклеосомами называется линкером, в котором может содержаться до 80 нукклеотидов. Гистон Н1 препятствует раскручиванию ДНК вокруг кора и обеспечивает уменьшение расстояния между нуклеосомами, т. е. участвует в формировании фибриллллы (2-го уровня укладки третичной структуры).
При скручивании фибриллы формируется хроматиновое волокно (3-й уровень), при этом в одном витке обычно содержится 6-г нуклеосом, диаметр такой структуры увеличивается до 30 нм.
В интерфазных хромосомах хроматиновые волокна организованы в домены, или петли , состоящие из 35-150 тыс пар оснований и заякоренные на внутриядерном матриксе. В формировании петель принимают участие ДНК-связывающие белки.
Супердоменный уровень образуют до 100 петель, в этих участках хромосомы в электронном микроскопе хорошо заметны конденсированные плотно упакованные участки ДНК.
Благодаря такой укладке ДНК компактно уложена. Ее длина сокращается в 10 000 раз. В результате упаковки ДНК связывается с гистонами и другими белками, образуя нуклеопротеиновый комплекс в виде хроматина.
Биологическая роль ДНК:
- хранение и передача генетической информации,
- контроль деления и функционирования клетки,
- генетический контроль запрограммированной гибели клетки.
В состав хроматина входят ДНК (30% от всей массы хроматина), РНК (10%) и белки (гистоновые и негистоновые).
Примерные варианты контрольной работы по теме
Вторичная структура − это пространственное расположение полипептидной цепочки в виде α-спирали или β-складчатости безотносительно к типам боковых радикалов и их конформации.
Л. Полинг и Р. Кори предложили модель вторичной структуры белка в виде α-спирали, в которой водородные связи замыкаются между каждой первой и четвертой аминокислотой, что позволяет сохранять нативную структуру белка, осуществлять простейшие функции, защищать от разрушения. В образовании водородных связей принимают участие все пептидные группы, что обеспечивает максимальную стабильность, снижает гидрофильность и увеличивает гидрофобность белковой молекулы. α-спираль образуется самопроизвольно и является наиболее устойчивой конформацией, отвечающей минимуму свободной энергии.
Наиболее распространенным элементом вторичной структуры является правая α-спираль (α R). Пептидная цепь здесь изгибается винтообразно. Ha каждый виток приходится 3,6 аминокислотного остатка, шаг винта, т.е. минимальное расстояние между двумя эквивалентными точками, составляет 0,54 нм; α-спираль стабилизирована почти линейными водородными связями между NH-группой и СО-группой четвертого по счету аминокислотного остатка. Таким образом, в протяженных спиральных участках каждый аминокислотный остаток принимает участие в формировании двух водородных связей. Неполярные или амфифильные α-спирали с 5-6 витками часто обеспечивают заякоривание белков в биологических мембранах (трансмембранные спирали). Зеркально-симметричная относительно α R -спирали левая α-спираль (α L) встречается в природе крайне редко, хотя энергетически возможна. Закручивание полипептидной цепи белка в спиралеобразную структуру происходит вследствие взаимодействия между кислородом карбонильной группы i-того аминокислотного остатка и водородом амидогруппы (i+4)- аминокислотного остатка посредством образования водородных связей (рис.6.1).
Рис. 6.1. Вторичная структура белка: α-спираль
Другая форма спирали присутствует в коллагене, важнейшем компоненте соединительных тканей. Это левая спираль коллагена с шагом 0,96 нм и при остатке в 3,3 в каждом витке более пологая по сравнению с α-спиралью. В отличие от α-спирали образование водородных мостиков здесь невозможно. Структура стабилизирована за счет скручивания трех пептидных цепей в правую тройную спираль.
Наряду с α-спиралями в образовании вторичной структуры белка принимают также участие β-структуры, β-изгиб.
В отличие от конденсированной α-спирали β-слои почти полностью вытянуты и могут располагаться как параллельно, так и антипараллельно (рис.6.2).
Рис.6.2. Параллельное (а) и антипараллельное (б) расположение β-слоев
B складчатых структурах также образуются поперечные межцепочечные водородные связи (рис.6.3). Если цепи ориентированы в противоположных направлениях, структура называется антипараллельным складчатым листом (β α); если цепи ориентированы в одном направлении, структура называется параллельным складчатым листом (β n). В складчатых структурах α-С-атомы располагаются на перегибах, а боковые цепи ориентированы почти перпендикулярно средней плоскости листа, попеременно вверх и вниз. Энергетически предпочтительной оказывается β α -складчатая структура с почти линейными H-мостиками. В растянутых складчатых листах отдельные цепи чаще всего не параллельны, а несколько изогнуты относительно друг друга.
Рис.6.3. β-складчатая структура
Кроме регулярных в полипептидных цепях есть еще и нерегулярные вторичные структуры, т.е. стандартные структуры, не образующие длинных периодических систем. Это – β-изгибы они называются так потому, что часто стягивают верхушки соседних β-тяжей в антипараллельных β-шпильках). В изгибы обычно входит около половины остатков, не опавших в регулярные структуры белков.
Супервторичная структура − это более высокий уровень организации белковой молекулы, представленный ансамблем взаимодействующих между собой вторичных структур.
Водородная связь в молекуле белка осуществляется между имеющим частично положительный заряд атомом водорода одной группировки и атомом (кислород, азот), имеющим частично отрицательный заряд и неподеленную электронную пару другой группировки. В белках различают два варианта образования водородных связей: между пептидными группами
и между боковыми радикалами полярных аминокислот. В качестве примера рассмотрим образование водородной связи между радикалами аминокислотных остатков, содержащих гидроксильные группы:
Ван-дер-ваальсовы силы имеют электростатическую природу. Они возникают между разноименными полюсами диполя. В молекуле белка существуют положительно и отрицательно заряженные участки, между которыми возникает электростатическое притяжение.
Рассмотренные выше химические связи принимают участие в формировании структуры белковых молекул. Благодаря пептидным связям образуются полипептидные цепи и, таким образом, формируется первичная структура белка. Пространственная организация белковой молекулы определяется в основном водородными, ионными связями, ван-дер-ваальсовыми силами, гидрофобными взаимодействиями. Водородные связи, возникающие между пептидными группами, определяют вторичную структуру белка. Формированиетретичной и четвертичной структуры осуществляется водородными связями, образующимися между радикалами полярных аминокислот, ионными связями, ван-дер-ваальсовыми силами, гидрофобными взаимодействиями. Дисульфидные связи принимают участие в стабилизации третичной структуры.
Аминокислоты – относительно низкомолекулярные амфотерные соединения, в состав которых кроме углерода, кислорода и водорода входит азот. Амфотерность аминокислот проявляется в способности карбоксильной группы (-СООН) отдавать Н + , функционируя как кислота, а аминной группы – (-NH 2) – принимать протон, проявляя свойства оснований, благодаря чему в клетке играют роль буферных систем.
Большинство аминокислот – нейтральные: содержат одну амино- и одну карбоксильную группу. Основные аминокислоты содержат более одной аминогруппы, а кислые – более одной карбоксильной группы.
В живых организмах встречается около 200 аминокислот, но только 20 из них входят в состав белков – это белокобразующие (основные, протеиногенные) аминокислоты (табл. 2), которые в зависимости от свойств радикала делят на три группы:
1) неполярные (аланин, метионин, валин, пролин, лейцин, изолейцин, триптофан, фенилаланин);
2) полярные незаряженные (аспарагин, глутамин, серин, глицин, тирозин, треонин, цистеин);
3) полярные заряженные (аргинин, гистидин, лизин – положительно заряженные; аспарагиновая и глутаминовая кислоты – отрицательно).
Таблица 2. Двадцать белокобразующих аминокислот
| Сокращенное название | Аминокислота | Сокращенное название | Аминокислота |
| Ала | Аланин | Лей | Лейцин |
| Арг | Аргинин | Лиз | Лизин |
| Асн | Аспарагин | Мет | Метионин |
| Асп | Аспарагиновая кислота | Про | Пролин |
| Вал | Валин | Сер | Серин |
| Гис | Гистидин | Тир | Тирозин |
| Гли | Глицин | Тре | Треонин |
| Глн | Глутамин | Три | Триптофан |
| Глу | Глутаминовая кислота | Фен | Фенилаланин |
| Иле | Изолейцин | Цис | Цистеин |
Боковые цепи аминокислот (радикалы) бывают гидрофобными или гидрофильными и придают белкам соответствующие свойства. Эти свойства радикалов играют определяющую роль в формировании пространственной структуры (конформации ) белка.
Аминогруппа одной аминокислоты способна вступать в реакцию с карбоксильной группой другой аминокислоты посредством пептидной связи (СО-NH), образуя дипептид . На одном конце молекулы дипептида находится свободная аминогруппа, а на другом – свободная карбоксильная группа. Благодаря этому дипептид может присоединять к себе другие аминокислоты, образуя олигопептиды (до 10 аминокислот). Если таким образом соединяются 11 - 50 аминокислот, то образуется полипептид.
Пептиды и олигопептиды играют в организме важную роль:
Олигопептиды: гормоны (окситоцин, вазопрессин), антибиотики (грамицидин S); некоторые очень токсичные ядовитые вещества (аманитин грибов);
Полипептиды: брадикинин (пептид боли); некоторые опиаты («естественные наркотики» человека) выполняющие функцию обезболивания (принятие наркотиков нарушает опиатную систему организма, поэтому наркома испытывает сильную боль – «ломку», которая в норме снимается опиатами); гомоны (инсулин, АКТГ и др.); антибиотики (грамицидин А), токсины (дифтерийный токсин).
Белки образованы значительно большим количеством мономеров – от 51 до нескольких тысяч с относительной молекулярной массой свыше 6000. Молекулы различных белков отличаются друг от друга молекулярной массой, числом, составом и последовательностью расположения аминокислот в полипептидной цепи. Именно это объясняет огромное разнообразие белков; их количество у всех видов живых организмов составляет 10 10 – 10 12 .
Соединяясь друг с другом пептидной связью, аминокислоты образуют цепочку, которая называется первичной структурой белка . Первичная структура специфична для каждого белка и определяется генетической информацией (последовательностью нуклеотидов ДНК). От первичной структуры зависят окончательная конформация и биологические свойства белка. Поэтому замена даже одной аминокислоты в полипептидной цепочке, или изменение расположения аминокислотных остатков обычно приводит к изменению структуры белка и к снижению, или утрате его биологической активности.
Рис. Структура белковой молекулы: 1 - первичная; 2 - вторичная; 3 - третичная; 4 - четвертичная структуры.
Вторичная структура возникает в результате образования водородных связей внутри одной полипептидной цепи (спиральная конфигурация, альфа-спираль) или между двумя полипептидными цепями (складчатые, бета-слои). Степень спирализации от 11 до 100%. На этом уровне биологически активными являются белки тканей с низким уровнем обменных процессов: кератин – структурный белок волос, шерсти, когтей, перьев и рогов, рогового слоя кожи позвоночных, фибрин крови, гиалин (спиральная структура); фиброин шелка (складчатая структура). Фибриллярные белки могут образовываться в результате скручивания нескольких спиралей вместе (3 у коллагена, 7 у кератина) или связывания боковыми цепями складчатых структур.
Рис. Водородные связи.
Третичная структура глобулярная) – характерна для большинства белков – трехмерное образование шаровидной формы, в которое складываются спиральные и неспиральные участки полипептидной цепи. Связи, стабилизирующие третичную структуру:
1) электростатические силы притяжения между R-группами, несущими противоположно заряженные ионогенные группы (ионные связи);
2) водородные связи между полярными (гидрофильными) R-группами;
3)гидрофобные взаимодействия между неполярными (гидрофобными) R-группами;
4) дисульфидные связи между радикалами двух молекул цистеина. Эти связи ковалентные. Они повышают стабильность третичной структуры, но не всегда являются обязательными для правильного скручивания молекулы. В ряде белков они могут вообще отсутствовать.
Четвертичная структура – результат объединения за счет гидрофобных взаимодействий, при помощи водородных и ионных связей нескольких полипептидных цепей. Молекула глобулярного белка гемоглобина состоит из четырех (2 альфа - и 2 бета -) отдельных полипептидных субъединиц (протомеров) и небелковой части (простетической группы) – гема . Только благодаря такому строению гемоглобин может выполнять свою транспортную функцию.
По химическому составу белки разделяют на простые (протеины) и сложные (протеиды). Простые белки состоят только из аминокислот (альбумины, глобулины, протамины, гистоны, глутелины, проламины). Сложные в своем составе помимо аминокислот (белковая часть) содержат небелковую часть - нуклеиновые кислоты (нуклеопротеиды), углеводы (гликопротеиды), липиды (липопротеиды) металлы (металлопротеиды), фосфор (фосфопротеиды).
Рис. Связи, стабилизирующие третичную структуру
Белки обладают свойством обратимо изменять свою структуру в ответ на действие физических (высокая температура, облучение, высокое давление и т.д.) и химических (спирт, ацетон, кислоты, щелочи и др.) факторов, которое лежит в основе раздражимости, и происходит путем денатурации и ренатурации:
- денатурация – процесс нарушения естественной (нативной) структуры белка; может быть обратимым, при условии сохранения первичной структуры.
- ренатурация – процесс самопроизвольного восстановления структуры белка при возвращении нормальных условий среды.
Рис. Денатурация и ренатурация белка: 1 - молекула белка третичной структуры; 2 - денатурированный белок; 3 - восстановление третичной структуры в процессе ренатурации.
Функции белков :
1) структурная (строительная):
а) входят в состав биологических мембран, образуют цитоскелет клеток;
б)являются составными частями органоидов (например, рибосом, клеточного центра и др.), хромосом (гистоновые белки);
в) образуют цитоскелет (белок тубулин – составная часть микротрубочек);
г) главный компонент опорных структур организма (коллаген кожи, хрящей, сухожилий; эластин кожи; кератин волос, ногтей, когтей, копыт, рогов, перьев);
д) паутинные нити пауков.
2) транспортная : связывают и переносят специфические молекулы, ионы (гемоглобин переносит кислород; альбумины крови транспортируют жирные кислоты, глобулины - ионы металлов и гормоны); мембранные белки принимают участие в транспорте веществ в клетку и из неё).
3) сократительная (двигательная):
а) в сокращении миофибрилл мышечной ткани участвуют актин и миозин, обеспечивая движение;
б) белок тубулин в составе микротрубочек формирует веретено деления, которое обеспечивает движение хромосом во время митоза и мейоза;
в) белок тубулин в составе ундулиподий – ресничек и жгутиков , обеспечивает движение протист и специализированных клеток (сперматозоидов)
4) ферментативная (каталитическая): более 2000 ферментов катализируют все биохимические реакции в клетке(супероксиддисмутаза нейтрализует свободные радикалы, амилаза расщепляет крахмал до глюкозы, цитохромы участвуют в фотосинтезе);
5) регуляторная : некоторые белки являются гормонами, регулирующими обменвеществ в клетке и в организме (инсулин регулирует содержание глюкозы в крови, глюкагон – расщепление гликогена до глюкозы, гистоны – генную активность и др.);
6) рецепторная (сигнальная): в мембранах имеются белки-рецепторы (интегральные), способные взаимодействовать с гормонами и другими биологически активными веществами; они изменять свою конформацию (пространственную структуру) и передают, таким образом, сигналы (информацию) от встречи с такими веществами в клетку; последняя вследствие этого, перестраивает биохимические реакции обмена веществ; некоторые мембранные белки также меняют свою структуру в ответ на действие факторов внешней среды (например, светочувствительный белок фитохром регулирует фотопериодические реакции растений; опсин – составная часть пигмента родопсина в сетчатке глаза);
7) защитная : защищают организм от вторжения других организмов и от повреждений (антитела – иммуноглобулины блокируют чужеродные антигены, фибриноген, тромбопластин и тромбин предохраняют организм от кровопотерь, белок – интерферон защищает от вирусных инфекций);
8) токсическая : белки-токсины образуются в организме многих змей, лягушек, насекомых, кишечнополостных, грибов, растений и бактерий;
9) энергетическая : при полном окислении 1 г белка высвобождается 17,6 кДж энергии; однако белки становятся источником энергии только после исчерпания запасов углеводов и жиров;
10) запасающая : яичный альбумин – запасной строительный и энергетический материал для развития эмбриона птиц; казеин молока также выполняет эти функции при вскармливании детенышей молоком.
