1. Белки, их структура и функции

Все белки являются высокомолекулярными полипептидами. Условную границу между крупными полипептидами и белками обычно проводят -в области мол. масс 8000-10000. Простые белки содержат только аминокислоты, а сложные - еще и неаминокислотные компоненты: гемоглобин, производные витаминов, липидные или углеводные компоненты. Белки играют центральную роль в процессах жизнедеятельности клеток (примером служат ферменты) и в формировании клеточных структур. Удовлетворительной универсальной системы классификации белков не существует. Имеется лишь несколько общеупотребительных систем классификации, частично противоречащих одна другой. С точки зрения ключевых свойств белков все они имеют ограниченную ценность.

Классификация белков, основанная на их растворимости, была введена в 1907-1908 гг. и используется до сих пор, особенно в клинической биохимии.

Альбумины	Растворимы в воде и солевых растворах. Не имеют особенностей в смысле содержания отдельных аминокислот
Глобулины	Слаборастворимы в воде. но хорошо растворимы в солевых растворах. Не имеют особенностей в смысле содержания отдельных аминокислот
Проламины	Растворимы в 70-80%-ном этаноле, но нерастворимы в воде и в абсолютном этаноле. Богаты аргинином
Гистоны	Растворимы в солевых растворах
Склеропротеины	Нерастворимы в воде и солевых растворах. Повышено содержание Gly. Ala. Pro

СВЯЗИ, ОТВЕТСТВЕННЫЕ ЗА ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ БЕЛКА

Первичная структура белков формируется в результате соединения L-а-аминокислот пептидными связями. Об этом свидетельствует множество различных данных, однако наиболее убедительным доказательством стал химический синтез инсулина и рибонуклеазы, осуществленный путем последовательного соединениянения аминокислот пептидными связями. Структура большинства белков стабилизируется двумя классами прочных связей (пептидных и дисульфидных) И тремя классами слабых связей (водородных, гидрофобных и электростатических, т. е. солевых).

В структурных формулах пептидов связь между карбонильной группой и атомом а-азота изображается как одинарная, однако на самом деле эта связь между атомами углерода и азота носит характер частично двойной связи. Свободное вращение вокруг нее невозможно, и все четыре атома належат в одной плоскости (компланарны). Вращение же вокруг остальных связей полипептидного остова, наоборот, достаточно свободно. Эта полужесткость ведет к важным последствиям, сказывающимся на более высоких уровнях структурной организации белка.

Дисульфидная связь образуется между двумя остатками цистеина и «сшивает» два участка полипептидной цепи (или цепей), которым принадлежат эти остатки. Эта связь остается стабильной в тех условиях, при которых белок обычно денатурирует. Обработка белка надмуравьиной кислотой (окисляющей связи S-S) или β-меркаптоэтанолом (восстанавливающим связи S-S с регенерацией двух остатков цистеина) приводит к разделению полипептидных цепей, связанных дисульфидными связями; их первичная структура при этом не затрагивается.

Водородные связи образуются 1) между группами, входящими в состав боковых цепей и способными к формированию водородных связей; 2) между атомами азота и кислорода, принадлежащими пептидным группам остова; 3) между полярными остатками, расположенными на поверхности молекулы белка, и молекулами воды. Все они играют важную роль в стабилизации вторичной, третичной и т. Д. структур белка.

Неполярные боковые цепи нейтральных аминокислот в белках имеют тенденцию к ассоциации. Стехиометрические соотношения при этом не соблюдаются, так что никаких связей в обычном смысле не возникает. Тем не менее эти взаимодействия играют важную роль в поддержании структуры белка.

Электростатические связи возникают между разноименно заряженными группами, входящими в состав боковых цепей аминокислот. Например, ε-аминогруппа лизина при физиологических рН несет заряд + 1, а карбоксильная группа аспартата или глутамата в составе боковой цепи несет заряд - 1. Следователльно, эти группы могут электростатически взаимодействовать, стабилизируя структуру белка.

УПОРЯДОЧЕННЫЕ КОНФОРМАЦИИ ПОЛИПЕПТИДОВ

а-Спираль.

Согласно рентгенографическим данным, полученным в начале 1930-х гг., а-кератины волос и шерсти обладают продольной периодичностью 0,5--0,55 нм. Однако в вытянутой полипептидной цепи расстояний, порождающих такую периодичность найти не удавалось. Это кажущееся противоречие было устранено Полингом и Кори, предположившими, что полипептидные цепи а-кератина имеют форму а-спирали. В этой структуре R-группы при а-углеродных атомах направлены от оси спирали. На один виток спирали приходится 3,6 аминокислотных остатка, а шаг спирали составляет 0,54 нм, что близко к периодичности 0,5-0,55 нм, наблюдаемой на дифракционных картинах. Смещение вдоль оси, приходящееся на один остаток, равно 0,15 нм, что тоже согласуется с рентгеновскими данными. Основные характеристики α-спирали сводятся к следующему: 1. а-Спираль стабилизируется водородными связями между атомом водорода, присоединенным к атому азота пептидной группы, и карбонильным кислородом остатка, отстоящего от данного вдоль цепи на четыре позиции. 2. В образовании водородной связи участвуют все пептидные группы. Это обеспечивает максимальную стабильность а-спирали. 3. В образование водородных связей вовлечены все атомы азота и кислорода пептидных групп, что в значительной мере снижает гидрофильность а-спиральных областей (и увеличивает их гидрофобность). 4. а-Спираль образуется самопроизвольно и является наиболее устойчивой конформацией полипептидной цепи, отвечающей минимуму свободной энергии. 5. В цепи из L-аминокислот правая спираль, обычно обнаруживаемая в белках, намного стабильнее левой. Некоторые аминокислоты препятствуют свертыванию цепи в а-спираль, и в месте их расположения непрерывность а-спирали нарушается. К ним относятся пролин (в нем атом азота служит частью жесткой кольцевой структуры, и вращение вокруг связи N - С становится невозможным), а также аминокислоты с заряженными или объемными R-группами, которые электростатически или механически препятствуют формированию а-спирали.

Складчатый β-слой

Полинг и Кори предложили и другую упорядоченную структуру - складчатый β-слой (обозначение р указывало, что предложенная ими структура является второй после а-спирали). В то время как в а-спирали полипептидная цепь находится в конденсированном состоянии, в складчатом β-слое цепи почти полностью вытянуты. В тех случаях, когда соседние полипептидные цепи складчатого β-слоя идут в противоположных направлениях (за положительное принимается направление от N- к С- концу), структуру называют антипараллельным складчатым β-слоем. Когда соседние цепи идут в одном направлении, структуру β-слоя называют параллельной. Области складчатой β-структуры имеются во многих белках, причем встречается и параллельная, и антипараллельная форма. В формировании таких структур могут участвовать от двух до пяти соседних полипептидных цепей. Во многих белках одновременно имеются и а-спирали, и складчатая Р-структура. В а-спирали стабилизирующие водородные связи образуются между пептидными группами, 'отстоящими одна от другой вдоль цепи на четыре остатка, а складчатая β-структура формируется благодаря образованию водородных связей между пептидами, удаленными по цепи намного дальше.

НЕУПОРЯДОЧЕННАЯ КОНФОРМАЦИЯ (клубок)

Те участки белковой молекулы, которые не относятся к спиральным или складчатым структурам, обычно называют неупорядоченными. В такой конформации может находиться значительная часть белковой молекулы. Термин «неупорядоченный » не вполне удачен: создается впечатление, что это указывает на меньшую биологическую значимость таких участков по сравнению с высокоупорядоченными периодическими. В то же время с точки зрения биологической функции неупорядоченные, нерегулярные участки-столь же важны, как и а-спирали и складчатые β-слои.

УРОВНИ СТРУКТУРНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ БЕЛКА

Первичная структура

Под первичной структурой понимается последовательность аминокислот в полипептидной цепи (или цепях) и положение дисульфидных связей, если они имеются.

Вторичная структура

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

Третичная структура

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

Четвертичная структура

Если белки состоят из двух и более полипептидных цепей, связанных между собой нековалентными (не пептидными и не дисульфидными) связями, то говорят, что они обладают четвертичной структурой. Такие агрегаты стабилизируются водородными связями и электростатическими взаимодействиями между остатками, находящимися на поверхности полипептидных цепей. Подобные белки называют олигомерами, а составляющие их индивидуальные полипептидные цепи - протомерами, мономерами или субъединицами. Многие олигомерные белки содержат два или четыре протомера и называются димерами или тетрамерами соответственно. Довольно часто встречаются олигомеры, содержащие более четырех протомеров, особенно среди регуляторных белков (пример транскарбамоилаза). Олигомерные белки играют особую роль во внутриклеточной регуляции: их протомеры могут слегка менять взаимную ориентацию, что приводит К изменению свойств олигомера. Наиболее изученный пример-гемоглобин.

ФУНКЦИИ

Белки можно классифицировать в соответствии с их биологическими функциями; например, можно подразделить белки на структурные, каталитические и транспортные. В свою очередь каталитические белки (ферменты), которые включают большинство различных типов белков, можно подразделить в соответствии с типом катализируемой ими реакции.

Каталитическая	Ферменты
Сократительная	Актин, миозин
Регуляция работы генов	Гистоны. негистоновые ядерные белки
Гормональная	Инсулин
Защитная	Фибрин, иммуноглобулины. интерферон
Регуляторная	Кальмодулин
Структурная	Коллаген. эластин, кератины
Транспортная	Альбумины (переносят билирубин, жирные кислоты и т. д.), гемоглобин (кислород), липопротеиды (различные липиды), трансферрин(железо)