3.6. Структура белковой молекулы

Способы связи аминокислот в белковой молекуле. Основная структурная единица белка — ос-аминокислоты.

Впервые, еще в 1888 г. А.Я.Данилевский установил, что ами­нокислоты в белковой молекуле соединяются —СООН- и — Тур­группами, образуя связи, в последующем названные пептидными. Пептидная связь образуется при взаимодействии карбоксильной группы первой аминокислоты с аминогруппой при а-углеродном атоме второй аминокислоты. При этом отщепляется молекула воды: например, из двух молекул аланина образуется дипептид аланил—аланин:

Соединение из двух аминокислот называют дипептидом, и трех — трипептидом и т. д. Связь — СО—NH— называется пептидной связью.

Если число аминокислотных остатков в цепи более 10, то е называют полипептидом, более 50 — белком. Различают N-конец, где имеется свободная —NH2-группа и С-конец пептида, несущий свободную —СООН-группу аминокислоты. Кроме —СООН- и —NH₂-группы, участвующих в образовании пептидной связи, ами нокислоты содержат другие функциональные группы, размещен ные в боковых радикалах белковой молекулы:

Группу атомов в молекулах аминокислот, не принимающих участие в образовании пептидной связи, называют радикалами аминокислот. Различают аминокислоты с ионами-радикалами. К ной группе относятся семь аминокислот с радикалами, облада­ющими отрицательными или положительными зарядами, в том числе аспарагиновая и глутаминовая кислоты с отрицательным (—) зарядом, тирозин и цистеин также могут нести отрицательный за­ряд; лизин, аргинин и гистидин несут положительный (+) заряд.

Полярные радикалы имеют серин и треонин (—ОН). Сюда же относятся аспарагин, глутамин. Третья группа аминокислот (ала­нин, валин, лейцин, изолейцин, метионин, фенилаланин, трипто­фан, пролин, оксипролин) имеет неполярные алифатические или .фоматические радикалы. Таким образом, в построении структуры белковой молекулы кроме образования пептидной связи имеют шачение свойства радикалов аминокислот.

Пептиды. Молекулярная масса пептидов до 5000 (50 аминокислотных остатков), они проходят через полупроницаемую мембра­ну. В природе известно свыше 200 пептидов. В организме живот­ных и человека различают:

пептиды-гормоны — вазопрессин, окситоцин, кортикотропин, глюкогон, кальцитонин, меланоцитостимулирующий гормон;

пептиды, принимающие участие в пищеварении, — гастрин, секретин (всего 12 пептидов);

ангиотензин (сосудосуживающий), брадикинин; нейропептиды;

пролинсодержащие ди- и трипептиды, образующиеся из колла- пгпа и эластина путем гидролиза, обладающие антикоагулянтным свойством, защищающие слизистую оболочку желудка;

иизкомолекулярные (молекулярная масса 4000) полипептиды, обусловливающие устойчивость животных к разным инфекциям, обладающие широким спектром антимикробной активности.

Например, син­тетическая пептидная вакцина против ящура получена из 16 ами­нокислотных остатков. Небелковая часть фермента окислительно- восстановительных реакций представляет собой трипептид — это глутатион (у-глутамил-цистеинил-глицин):

Некоторые пептиды получают путем синтеза.

Карнозин — β-аланил-гистидин и ансерин — метил-карнозин от­носятся к дипептидам; они усиливают мышечные сокращения, обладают антиоксидантными и мембраностабилизирующими свойствами. Пептиды из глицина и пролина влияют на свертыва­ние крови, защищают слизистую оболочку желудка, влияют на го­ловной мозг. Пептиды эндотелины регулируют тонус сосудов.

Дипептид аспартам (аспарагин + фенилаланин) получают ме­тодом генной инженерии. Он в 300 раз слаще сахара, его добавля­ют в напитки (кока-кола) вместо сахара.

Различают четыре уровня структуры белковой молекулы.

Первичная структура белка. Это строго определенная последо­вательность (чередование) аминокислотных остатков в пептидной цепи. В образовании этой структуры участвуют пептидные связи, частично дисульфидные. Первичная структура закодирована в ге­нах, она определяет остальные уровни организации белка. Впер­вые первичная структура белка инсулина была определена Ф. Сэнджером (1953). Сейчас изучена первичная структура большого числа белков. Например, молекула инсулина состоит из двух цепей: А и В; цепь А включает 21 аминокислотный остаток, цепь В — 30 (рис. 3.2).

Первичная структура РНКазы из 124 аминокислотных остатков показана на рисунке 3.3.

Исследование первичной структуры гемоглобина позволило установить, что болезнь крови — серповидно-клеточная анемия (рис. 3.4) обусловлена заменой лишь одной-единственной амино­кислоты из 146 аминокислотных остатков в цепи В.

Если в положении 6 от N-конца вместо глутаминовой кислоты находится валин, то такой гемоглобин не выполняет функцию транспорта кислорода:

4 5 6 7 положение аминокислот

—Тре — Про — Глу — Лиз — норма

—Тре — Про — Вал — Лиз — патология

Вторичная структура белка. Это способ укладки полипептидной цепи в спиральную конфигурацию, происходящий по программе, заложенной в первичной структуре белка. Она возможна благода­ря формированию в гибкой белковой молекуле жестких регуляр­ных участков типа ос-спирали и р-складчатой структуры.

J1. Полинг и Р. Кори установили, что глобулярные белки обра­зуют а-спираль за счет водородных связей между радикалами ами­нокислот. Водородная связь возникает за счет карбонильной груп­пы одного радикала и аминной группы другого радикала, между атомами кислорода и водорода, азота и водорода:

Карбонильная группа и NH-группа способны образовывать во­дородную связь между собой. Атомы кислорода и водорода пеп­тидной группы занимают транс-положение, а вокруг аС возмож­но свободное вращение:

В результате образование водородных связей обусловливает оп­ределенную форму пептида. Различают три типа вторичной струк­туры пептидных цепей: а-спираль, p-структура (складчатый слой), беспорядочный клубок.

а-Спираль — это виток по часовой стрелке (рис. 3.5). Каждый виток содержит 3,6 аминокислот (0,54 нм или 0,15 нм на одну аминокислоту), через каждые пять витков (18 аминокислотных остатков) структурная конфигурация повторяется. а-Спиральную

Рис. 3.5. Структура и параметры а-спирали

С руктуру имеют фибриллярные белки — кератины волос, шерсти, кожи, где —S—S— связи придают высокую прочность.

В складчатом слое (p-структура) пептидные цепи расположены параллельно друг другу в один слой, образуя фигуру гармошки ими листа. Слой может быть образован двумя или большим чис­лом пептидов.

Домены представляют собой надвторичную структуру (рис. 3.6).

Иодородная связь может образоваться не только между карбо­нильной группой (отрицательно заряженный кислород) и атомом водорода иминогруппы =NH другой полипептидной цепи, но и между двумя гидроксильными группами:

и гидроксильной группой серина и тирозина.

Рассмотрим вторичную структуру коллагена. Количество кол­лагена в организме составляет (сухожилия, связки, суставные капсулы и т. д.) от общего количества белков.

В отличие от а-спирали кератинов коллаген плохо поддается растяжению. В составе коллагена много глицина — ¹/₃ из общего количества аминокислотных остатков, 1/₄ и более составляют пролин и оксипролин. Эти аминокислоты нарушают способность по­липептидных цепей образовывать а-спираль. В коллагене каждые три полипептидные цепи скручены и образуют тройную спираль.

Третичная структура белка. Образуется за счет плотной упаков­ки жестких регулярных участков (спиральных и складчатых) в компактную глобулу.

Первый белок, третичная структура которого была выяснена англичанином Дж. Кендрью, — это миоглобин кашалота, молеку­лярная масса 16 700, содержит 153 аминокислотных остатка. Име­ет одну полипептидную цепь, представленную в виде изогнутой трубки, компактно уложенной вокруг гема (небелкового компо­нента, содержащего железо).

В настоящее время благодаря повышению эффективности рент- геноструктурного анализа расшифрована третичная структура многих белков.

Рис. 3.7. Связи, стабилизирующие вторичную и третичную структуру

Некоторые типы связей, стабилизирующих третичную структу­ру, представлены на рисунке 3.7.

Третичная структура обеспечивается за счет пептидных и дисульфидных связей, но основную роль играют нековалентные связи - водородные, межмолекулярные силы Ван-дер-Ваальса — Лондона, гидрофобные взаимодействия и т.д.

Третичная структура белка возникает автоматически после завершения синтеза его на рибосомах. Она определена первичной структурой — последовательностью аминокислотных остатков в пили пептидной цепи. Третичная структура связана с биологичес­кий активностью белковой молекулы (каталитической, гормональной, антигенной и т.д.). Любые физико-химические воздействия, приводящие к разрыву водородных, а также некоторых других связей и тем самым разрушающие нативную конформацию молекулы, сопровождаются частичной или полной потерей бел­ком его биологических свойств (рис. 3.8).

Четвертичная структура белка. Это объединение нескольких поли- пептидных цепей, обладающих одинаковой (или разной) пер­вичной, вторичной и третичной структурой и формирование еди­ного макромолекулярного образования. Каждая отдельная поли­пептидная цепь (протомер) чаще всего не обладает биологической активностью. Эту способность биологическая молекула приобре­тет после того, как входящие в его состав протомеры определен­ным образом объединятся, образуя ПРИ этом мультимер.