Структурная организация белков

Структурная организация белков

Белковые молекулы представляют собой продукт полиме­ризации 20-25 различных мономерных молекул (аминокислот), соединенных не хаотично, а в строгом соответствии с кодом бел­кового синтеза. Из 20 различных аминокислот (при условии, что каждая войдёт в цепь только один раз) можно построить 2,3•10¹⁸ изомеров белковой молекулы.

?-Аминокислоты, входящие в состав белков

Аминокислота	Буквенное  обозначение	Структура радикала R
Алифатические ?-аминокислоты
ГЛИЦИН (аминоуксусная кислота) Glycine	Гли / Gly / G	—Н
АЛАНИН(?-аминопропионовая кислота) Alanine	Ала / Ala / A	—СН3
ВАЛИН* (?-амино-изовалериановая кислота) Valine	Вал / Val / V
ЛЕЙЦИН* (?-аминоизокапроновая кислота) Leucine	Лей Leu L
изолейцин* (?-амино-?-метилвалериановая кислота) Isoleucine	Илей Ile I
Сероседержащие ?-аминокислоты
ЦИСТЕИН (?-амино-?-тиопропионовая кислота) Cysteine	Цис Cys C	—СH2SH
МЕТИОНИН* (?-амино-?-метилтиомаслянная кислота) Methionine	Мет Met M	—CH2-CH2-S-CH3
Кислые ?-аминокислоты
АСПАРАГИНОВАЯ КИСЛОТА (?-аминоянтарная кислота) AsparDic	Асп Asp D	—СН2СООН
ГЛУТАМИНОВАЯ КИСЛОТА (?-аминоглутаровая кислота Glutamic acid GluEtamic	Глу Glu E	—СН2СН2СООН
Основные ?-аминокислоты
ГИСТИДИН (?-амино-?-имидазолилпропионовая кислота) Histidine	Гис His H
ЛИЗИН* (?-амино-?-диаминокапроновая кислота) Lysine	Лиз Lys K	—CH2-CH2-СН2-CH2-NH2
АРГИНИН (?-амино-?-гуанидиновалериановая кислота) ARginine	Арг Arg R
Нейтральные ?-аминокислоты
АСПАРАГИН (амид аспарагиновой кислоты) AsparagiNe	Асн Asn N	NH2 (CO)CH2 —
ГЛУТАМИН (амид глутаминовой кислоты) Glutamine Q-tamine	Глн Gln Q	СН2 -СН2 -СОNH2
СЕРИН (?-амино-?-гидроксипропионовая кислота) Serine	Сер Ser S	—CH2-OH
ТРЕОНИН* (?-амино-?-оксимасляная кислота) Threonine	Тре Thr T	—CH2 (CH3)-OH
Ароматические ?-аминокислоты
ТРИПТОФАН* (?-амино-?-(3-индолил) пропионовая кислота) Tryptophan TWyptophan	Трип Trp W
ТИРОЗИН (?-амино-?-параоксифенилпропионовая кислота) TYrosine	Тир Tyr Y
ФЕНИЛАЛАНИН (?-амино-?-фенилпропионовая кислота) Phenylalanine Fenylalanine	Фен / Phe F	—CH2 -C6H5
Имино- ?-аминокислоты
ПРОЛИН (пирролидин-?-карбоновая кислота) Proline	Про / Pro / P

* Незаменимые ?-аминокислоты – не воспроизводимые человеческим организмом кислоты, которые могут поступать в организм только в составе пищи.

Белки представляют собой сложные полипептиды, в которых отдельные аминокислоты свя­заны друг с другом пептидными (R—СО—NH—R’) связями, возникающими при взаимодействии карбоксильных СООН и аминных NH₂ групп аминокислот. На примере аланина и глици­на образование пептидной связи (с выделением молекулы воды) можно представить следующим уравнением:

К дипептиду аналогичным способом мо­гут присоединяться и другие аминокислоты с образованием три-, тетра-, пентапептида и т. д., вплоть до крупной молекулы поли­пептида (белка).

Получены следующие экспериментальные доказательства полипептидной теории строения белка.

1. В природных белках сравнительно мало титруемых свобод­ных СООН- и NH₂-групп, поскольку абсолютное их большинство находится в связанном состоянии, участвуя в образовании пеп­тидных связей; титрованию доступны в основном свободные СООН- и NН₂-группы у N- и С-концевых аминокислот пептида.
2. В процессе кислотного или щелочного гидролиза белка об­разуется стехиометрическое количество титруемых СООН- и NН₂-групп, что свидетельствует о распаде определенного числа пептидных связей.
3. Под действием протеолитических ферментов (протеиназ) белки расщепляются на строго определенные фрагменты, назы­ваемые полипептидами, с концевыми аминокислотами, соответ­ствующими избирательности действия протеиназ. Структура не­которых таких фрагментов неполного гидролиза доказана по­следующим химическим их синтезом.
4. Биуретовую реакцию (сине-фиолетовое окрашивание в при­сутствии раствора CuSO₄ в щелочной среде) дают как биурет (NН₂—СО—NH—СО—NН₂), содержащий пептидную связь, так и белки, что также является доказательством наличия в белках аналогичных связей.
5. Анализ рентгенограмм, полученных при просвечивании рентгеновскими лучами кристаллов белков, подтверждает поли­пептидную структуру белков.
6. Существенным подтверждением полипептидной теории строения белка является возможность синтеза чисто химически­ми методами полипептидов и белков с уже известным строени­ем: инсулина — 51 аминокислотный остаток, лизоцима — 121 аминокислотный остаток, рибонуклеазы — 124 аминокислотных остатка. Синтезированные белки обладают биологической ак­тивностью и физико-химическими свойствами, аналогичными та­ковым природных белков.

Здесь следует указать на некоторые особенности строения полипептидной цепи. Во-пер­вых, это касается своеобразия расположения атомов углерода и азота, находящихся примерно в одной плоскости, и атомов во­дорода и радикалов, направленных к этой плоскости под углом 109^o28′. Во-вторых, это относится к своеобразию пептидной свя­зи. Расстояние между атомами С и N в пептидной связи (рав­ное 0,132 нм) является промежуточным между простой (оди­нарной) связью (т. е. связью между С—N=, равной 0,147 нм) и двойной связью (между =C=N—, равной 0,125 нм):

Это создает предпосылки для осуществления таутомерных (лактам-лактимных) превращений. Лактимная (енольная) фор­ма дает некоторые преимущества полипептидной цепи, выража­ющиеся в повышении реакционной способности. Наконец, сле­дует указать на своеобразие радикалов, которые являются по­лифункциональными и определяют и структуру (пространственную), и многообразие функций моле­кул белка.

Первичная структура белка

Под первичной структу­рой подразумевают порядок, последовательность расположения аминокислотных остатков в полипептидной цепи. Зная первич­ную структуру, можно точно написать структурную формулу белковой молекулы, если она представлена одной полипептид­ной цепью. Если в состав белка входит несколько полипептид­ных цепей, то задача определения первичной структуры несколь­ко сложнее, так как необходимо предварительное разъединение этих цепей.

Стабильность первичной структуры обеспечивается в основ­ном главновалентными пептидными связями; возможно участие и небольшого числа дисульфидных связей.

В настоящее время выяснение первичной структуры белков является вопросом времени и технического оснащения лаборато­рий. Полностью выяснена первичная структура многих природ­ных белков. Первым из них был инсулин, содержащий 51 ами­нокислотный остаток (Сэнджер, 1953). Самым крупным белком с выясненной первичной структурой был иммуноглобулин, в че­тырех полипептидных цепях которого насчитывается 1300 ами­нокислотных остатков.

Вторичная структура белка

Под вторичной структурой белка подразумевают конфигура­цию полипептидной цепи, т.е. способ свертывания, скручивания (складывания, упаковки) полипептидной цепи в спиральную или какую-либо другую конформацию; оно протекает не хаотично, а в соответствии с программой, заложенной в первичной струк­туре. Подробно изучены две основные конфигурации полипеп­тидных цепей, отвечающих структурным требованиям и экспери­ментальным данным: ?-конфигурация и ?-структуры.

Вероятным типом строения глобулярных белков принято считать ?-спираль (?-конфигурация), модель которой представлены на рисунке (а):

(а) ?-Спираль (б) ?-Структура

Закручивание полипептидной цепи идет по часовой стрелке (правый ход спи­рали), что обусловлено L-аминокислотным составом природных белков. Движущей силой в возникновении ?-спиралей (так же как и ?-структур) является способность аминокислот к образо­ванию водородных связей. В структуре ?-спиралей открыт ряд закономерностей. На каждый виток (шаг) спирали приходится 3,6 аминокислотных остатка. Шаг спирали (расстояние вдоль оси) равен 0,54 нм на виток, а на один аминокислотный остаток приходится 0,15 нм. Угол подъема спирали равен 26°; через каж­дые 5 витков спирали (18 аминокислотных остатков) структур­ная конфигурация полипептидной цепи повторяется. Это озна­чает, что период повторяемости (или идентичности) ?-спиральной структуры составляет 2,7 нм. На рисунке (а) модели ?-спирали зачернены участки спирали, обращенные к наблюдателю; пунк­тиром обозначены водородные связи между СО- и NH-группами, расположенными на соседних участках спирали; атомы водорода показаны в виде маленьких серых кру­жочков.

Для каждого белка характерна определенная степень спирализации его полипептидной цепи. Степень спирализации уста­навливают путем измерения удельного вращения плоскости по­ляризованного света. Изменение последнего находится в прямой зависимости от степени спирализации белковой молекулы. Не все глобулярные белки спирализованы на всем протяжении по­липептидной цепи. В молекуле белка ?-спиральные участки че­редуются с линейными. В частности, если ?- и ?-цепи гемогло­бина спирализованы, например, на 75%, то лизоцим — на 42%, а пепсин — всего на 30%.

Таким образом, стабильность вторичной структуры в основ­ном обеспечивается водородными связями (определенный вклад в это вносят и валентные связи — пептидные и дисульфидные).

Другой тип структуры, обнаруженный в белках волос, шелка, мышц и других фибриллярных белках, получил название ?-конфигурации, ?-структуры (рисунок (б)). В этом случае две или более линейные полипептидные цепи, расположенные параллельно, прочно свя­зываются водородными связями, образуя структуру типа склад­чатого слоя. Такая структура менее устойчива, чем ?-конформация.

Обе конформации могут быть обратимы при механическом воздействии и изменении влажности (при растворении в воде ?-конформация сохраняется, однако при нагреве в узком интервале температур разрушаются водородные связи, падает вязкость раствора). В природе существуют белки, строение которых, однако, не соответствует ни ?-, ни ?-структурам.

Типичным примером та­ких белков является коллаген — фибриллярный белок, состав­ляющий основную массу соединительной ткани в организме че­ловека и животных. В естественных условиях коллаген находится в форме длин­ных фибриллярных нитей, однако при нагревании эти нити прев­ращаются в беспорядочные клубочки, получившие название же­латины.

Третичная структура белка

Под третичной структурой белка подразумевают пространст­венную ориентацию полипептидной спирали или способ укладки полипептидной цепи в определенном объеме. Она образуется за счет ковалентных связей S—H, которые образуют дисульфидные мостики  —S—S—, сшивающие разные части ?-спирали (рисунок (в)):

(в) Третичная структура (г) Четвертичная структура

В ста­билизации пространственной структуры белков, помимо валент­ных связей (пептидные и дисульфидные связи), основную роль играют так называемые нековалентные связи. К этим связям относятся: водородные связи, электростатические взаимодейст­вия заряженных групп, межмолекулярные силы Ван-дер-Ваальса, взаимодействия неполярных боковых радикалов аминокислот, так называемые гидрофобные взаимодействия, вы­званные вталкиванием гидрофобных радикалов внутрь молеку­лы белка молекулами воды (растворителя) и т. д.

Третичная структура белка, после завершения его синтеза в рибосомах, возникает автоматически и полностью предопре­деляется первичной структурой. Основной движущей силой в возникновении трехмерной структуры являются взаимодействия радикалов аминокислот с молекулами воды. При этом неполяр­ные гидрофобные радикалы аминокислот как бы вталкиваются внутрь белковой молекулы, образуя там сухие зоны, в то время как полярные радикалы оказываются ориентированными в сто­роны воды. В какой-то момент возникает термодинамически наиболее выгодная конформация молекулы в целом и она ста­билизируется. В такой форме белковая молекула характеризу­ется минимальной свободной энергией.

В свою очередь трехмерная структура белковой молекулы также содержит информацию, но уже совершенно нового типа, а именно функциональную. Все биологические свойства белков (каталитические, гормо­нальные, антигенные и др.) связаны с сохранностью их третич­ной структуры, которую принято называть нативной конформацией. Любые воздействия (термические, физико-химические), приводящие к нарушению этой конформации мо­лекулы (разрыв водородных и других нековалентных связей), сопровождаются частичной или полной потерей белком его био­логических свойств.

Четвертичная структура белка

Под четвертичной структурой подразумевают симметричнопосторенные комплексы, стабилизированные за счет нековалентных взаимодействий. Такие называют олигомерами, а составные единицы комплексов (2-12 белков) – субъединицами или мономерами (рисунок (г)). Многие функциональные белки состоят из нескольких полипептидных цепей, соединенных нековалентными связями (аналогичными тем, которые обеспечивают стабильность третичной структуры). Каждая отдельно взятая полипептидная цепь, получившая название протомера, чаще всего не обладает биологической активностью. Эту способность белок приобретает при определенном способе пространственного объединения вхо­дящих в его состав протомеров. Образовавшуюся молекулу при­нято называть мультимером. Мультимерные белки чаще всего построены из четного числа протомеров (от 2 до 4, реже от 6 до 8, 10, 12 и т. д.) с разными молекулярными массами — от не­скольких тысяч до 100 000 дальтон.

Ос­новными силами, стабилизирующими четвертичную структуру, являются нековалентные связи между контактными площадками протомеров, которые взаимодействуют друг с другом по типу комплементарности, т. е. универсальному принципу, свойствен­ному живой природе.

На рисунке изображена трехмерная модель молекулы гемоглоби­на; субъединицы типа ? (светлые) и ?(темные) расположены по углам почти правильного тетраэдра, темные диски — группы гема.

Каждый индивидуальный белок ха­рактеризуется уникальной структурой, обеспечивающей уникаль­ность его функций. Поэтому выяснение структуры разнообраз­ных белков может служить ключом к познанию природы живых систем и, соответственно, сущности жизни.