СТРОЕНИЕ БЕЛКОВ

Молекулы белков — это большие полимерные молекулы, в состав которых входит от 50 до 5 000 аминокислотных остатков, которые соединены между собой амидными связями (см. гл. 12). В белках (пептидах) эти связи обычно называют пептидными.

Например, глицин и аланин могут реагировать между собой таким образом, чтобы карбоксильная группа одной аминокислоты взаимодействовала с аминогруппой другой:

Затем образовавшееся соединение может реагировать с третьей аминокислотой и так далее. Число возможных комбинаций из двадцати аминокислот (а следовательно, и число возможных белков) чрезвычайно велико.

Чтобы проиллюстрировать это положение, представим все возможные молекулы, состоящие только из трех аминокислотных остатков всего трех аминокислот — глицина, аланина и серина. Структура этих молекул может быть записана с помощью сокращенных обозначений аминокислот, причем аминокислота со свободной аминогруппой -концевая аминокислота) записывается в этих формулах слева, а аминокислота со свободной карбоксильной группой СООН (С-концевая аминокислота) — справа:

Важно понимать, что молекулы, изображенные под номерами 4 и 6, не идентичны. В первом случае С-концевой аминокислотой является серии, а во втором — глицин. Аналогично не являются идентичными соединения 10 и 12, 13 и 15, 16 и 18 и др.

Все эти 27 молекул различаются по физическим, химическим и физиологическим свойствам. Число возможных молекул быстро растет с увеличением количества аминокислотных остатков в молекуле и числа используемых аминокислот. Из 20 аминокислот можно построить 1065 различных белков, каждый из которых содержит 50 аминокислотных остатков. Это громадное число, которое практически невозможно себе представить. Оно приведено здесь только для того, чтобы показать, что число белковых молекул практически бесконечно велико. Тем не менее живые организмы синтезируют только необходимые им белки, приспособленные для собственных нужд.

Белки можно разделить на два основных класса. Первый класс составляют растворимые в воде глобулярные белки. В этих белках аминокислотная цепь многократно изогнута и свернута и напоминает веревочный клубок (рис. 15-6). Конкретная форма белковой молекулы определяется природой групп R в остатках аминокислот. Более полярные группы R обычно расположены на внешней поверхности глобулы. Они обеспечивают растворимость белка в воде. Все ферменты представляют собой глобулярные белки, и их способность катализировать реакции определяется трехмерным строением молекулы и расположением групп R относительно друг друга.

Рис. 15-6. Глобулярные и фибриллярные белки: 1 — глобулярный белок; 2—4 — фибриллярные белки; 2 - а-спираль; 3 — складчатый слой; 4 — тройная спираль

Другой класс белковых молекул — фибриллярные белки, которые образуют соединительные ткани живых организмов - сухожилия, костную и мускульную ткань, кожу, волосы, ногти. Цепи фибриллярных белков образуют спирали (напоминающие скрученную проволоку) или слои. Фибриллярные белки нерастворимы в воде, а взаимодействия между соседними цепями придают им механическую прочность.

Несколько параллельно расположенных и связанных между собой спиралей образуют фибриллу. Каждый волос состоит из множества параллельных фибрилл. Коллаген, белок, имеющийся в коже, сухожилиях и костях, состоит из тройных спиралей, образованных тремя переплетающимися цепями. Тройные спирали обеспечивают высокую прочность коллагенсодержащих структур.

Способность различных частей тела выполнять свойственные именно им функции определяется молекулярным строением веществ, из которых построены живые ткани. В случае белков последовательность аминокислот в пептидной цепи определяет строение белковой молекулы и ее функции в организме.

Соединения, молекулы которых построены из относительно небольшого числа аминокислотных остатков, называются пептидами. Дипептиды образованы из двух остатков аминокислот, трипептиды — из трех и т. д. Пептиды, содержащие более 10 аминокислотных звеньев, называют полипептидами. Термин белок применяют в тех случаях, когда число аминокислотных остатков превышает 50.

Ниже показана формула пентапептида

Различают первичную, вторичную и третичную структуры белка. Под первичной структурой понимают аминокислотную последовательность в белковой молекуле. Вторичная структура характеризует геометрию аминокислотной цепи, а третичная — общее пространственное строение белковой молекулы. Первичная структура белка определяет его вторичную и третичную структуры, т. е. геометрия и общая форма белковой цепи определяются свойствами и взаимным расположением групп входящих в состав аминокислотных фрагментов. Белковая молекула, образованная определенной последовательностью аминокислоту данных условиях сама примет характерную для нее форму. Однако при изменении внешних условий форма белковой молекулы может меняться.

Например, полиглицин при любых значениях рН имеет форму -спирали. В то же время полилизин при значениях рН от 1 до 10 образует беспорядочные клубки, а при самопроизвольно сворачивается в спираль. Это связано с тем, что при низких значениях рН положительно заряженные группы отталкиваются друг от друга, что препятствует образованию спирали. При высоких значениях рН, когда группы не заряжены, спиральная конформация наиболее выгодна.

Рис. 15-7. (см. скан) Строение -спирали. На один виток приходится 3,6 аминокислотных остатка. Пунктиром показаны водородные связи, придающие спирали устойчивость

Рис. 15-8. (см. скан) Строение складчатого слоя белка. В образовании водородных связей участвуют все группы и

На рис. 15-7 и 15-8 показано строение -спирали и складчатого слоя. Обратите внимание на водородные связи, образующиеся в этих структурах между группой одного аминокислотного остатка и группой другого.

а-Спирали и складчатые слои являются примерами вторичной структуры белков. На рис. 15-9 показана третичная структура гипотетического белка, которая включает участки -спирали и беспорядочного клубка. Форма молекулы сохраняется благодаря водородным связям, притяжению разноименно заряженных групп, гидрофобным и гидрофильным взаимодействиям, а также дисульфидным мостикам, схема образования которых показана ниже:

Рис. 15-9. Третичная структура глобулярного белка: 1 — участки а-спирали; 2 — водородные связи; 3 — дисульфидные связи; 4 — полярные взаимодействия; 5 — гидрофильные взаимодействия; 6 — гидрофобные взаимодействия

В глобулярных белках, находящихся в водных растворах, полярные гидрофильные группы обычно располагаются на поверхности глобулы. В число таких групп входят группы R серина, лизина, аспарагиновой кислоты и др. В то же время неполярные группы, входящие в состав остатков лейцина, фенилаланина, триптофана, имеют тенденцию группироваться внутри глобулы. В этом смысле глобула напоминает мицеллу. В целом белковая молекула принимает такую конформацию, в которой реализуется максимальное число стабилизирующих взаимодействий всех типов.

В качестве иллюстрации того, как может меняться структура белка, проследим поведение волос в различных ситуациях (рис. 15-10).

В сухих волосах белковые молекулы образуют параллельные спирали. При намокании волос образуются водородные связи между молекулами воды и группами и белка. Стабилизация спирали нарушается, и волосы легко растягиваются. При этом белковые молекулы переходят в складчатую форму. Если мокрые волосы завить и высушить,

(кликните для просмотра скана)

завивка сохранится, так как при высыхании белок опять примет форму а-спирали, но уже новой формы, с новыми водородными связями. Однако, если снова намочить волосы, они распрямляются.

Длительно сохраняющиеся изменения волос (завивка "перманент") могут быть созданы путем разрыва и повторного образования дисульфидных мостиков Между остатками цистеина, находящимися в различных цепях, образуются дисульфидные связи. Они играют важную роль в удерживании белковых спиралей рядом и в сохранении формы фибрилл. При химической завивке дисульфидные связи восстанавливают до меркаптогрупп Затем волосам придают желаемую форму и обрабатывают окислителем. При этом образуются новые дисульфидные связи, которые закрепляют новую форму волос. Поскольку ковалентные связи дисульфидных мостиков гораздо прочнее водородных связей, они не нарушаются под действием воды и форма волос сохраняется в течение длительного времени. Только естественный рост волос и стрижка уже завитых волос приводит к необходимости изредка повторять химическую завивку.

Под первичной структурой белков понимают последовательность аминокислот, связанных между собой пептидными связями. Эту последовательность обычно записывают с помощью сокращенных обозначений, начиная с N-концевой аминокислоты и заканчивая С-концевой аминокислотой. Стереохимия отдельных участков белковой цепи (вторичная структура белка) определяется главным образом характером водородных связей. Общая форма белковой молекулы (третичная структура) определяется целым рядом факторов, включая водородные связи, гидрофильные и гидрофобные взаимодействия, ионные связи и дисульфидные мостики.