Группы белков различающиеся по трехмерной структуре. Структура белка: введение для айтишников

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] .

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.

Линейная полипептидная цепь в воде способна самопроизвольно сворачиваться в сложную трехмерную структуру (глобулу) и только в таком свернутом виде белки могут выполнять химический катализ и прочую интересную работу. Поэтому нам принципиально важно знать именно трехмерную укладку белка, так как только на этом уровне становится понятно, как белок работает.

Вопрос : сколько трехмерных структур соответствует конкретному белку?
Ответ : Одна, с точностью до небольшой подвижности маленьких «разупорядоченных» петель. Известно ровно одно исключение, когда одной последовательности соответствуют 2 достаточно разные структуры, это прионы .

Вопрос : на чем держится трехмерная структура белка?
Ответ : если коротко, то в основном на большом количестве нековалентных взаимодействий. В принципе, химические группы белка могут образовывать: (1) водородную связь, эти группы есть и в основной цепи и у некоторых боковых групп, (2) ионную связь – электростатическое взаимодействие между разноименно заряженными боковыми группами, (3) Ван-дер-Ваальсово взаимодействие и (4) гидрофобный эффект, на котором держится общая структура белка. Суть в том, что в белке всегда есть гидрофобные ароматические остатки, им энергетически невыгодно контактировать с полярными молекулами воды, а выгодно «слипнуться» друг с другом. Таким образом, при сворачивании белка гидрофобные группы выталкиваются из водного окружения, «слипаясь» друг с другом и формируя «гидрофобное ядро», а полярные и заряженные группы, наоборот, стремятся в водное окружение, формируя поверхность белковой глобулы. Так же (5) боковые группы двух остатков цистеина могут образовать между собой дисульфидный мостик – полноценную ковалентную связь, жестко фиксирующую белок.

Соответственно, все аминокислоты делятся на гидрофобные, полярные (гидрофильные), положительно и отрицательно заряженные. Плюс цистеины, способные образовывать ковалентную связь между собой. Особыми свойствами обладают глицин – у него отсутствует боковая группа, сильно ограничивающая конформационную подвижность других остатков, поэтому он может очень сильно «гнуться» и находится в местах, где белковую цепь надо развернуть. У пролина же, наоборот, боковая группа образует кольцо, ковалентно связанное с основной цепью, жестко фиксируя ее конформацию. Пролины встречаются там, где надо сделать белковую цепь жесткой и негнущейся. Многие заболевания связаны с мутацией пролина на глицин, из-за чего структура белка слегка «плывет».

Вопрос : откуда вообще мы знаем о трехмерных структурах белка?
Ответ : из эксперимента, это абсолютно надежные данные.
Сейчас есть 3 метода для экспериментального определения структуры белка: ядерно-магнитный резонанс (ЯМР), cryo-EM (электронная микроскопия) и рентгеноструктурный анализ кристаллов белка.

ЯМР позволяет определить структуру белка в растворе, но он работает только для очень маленьких белков (для больших невозможно сделать деконволюцию).


Этот метод был важен для общего доказательства того, что у белка только одна трехмерная структура и что структура белка в кристалле идентична структуре в растворе. Это очень дорогой метод, так как требуется получить белок с изотопными метками.

Cryo-EM заключается в простой заморозке раствора белка и микроскопии. Минус метода – низкое разрешение (видна лишь общая форма молекулы, но не видно, как она устроена внутри), плюс плотность белка близка к плотности воды/растворителя, поэтому сигнал тонет в высоком уровне шума. В этом методе активно применяются компьютерные технологии работы с картинками и статистика для вытягивания сигнала из шума.

Отбираются миллионы картинок молекул белка, проводится разделение на классы в зависимости от ориентации молекулы относительно подложки, усреднение по классам, генерация eigenimages, новый раунд усреднения и так пока не сойдется. Потом из информации из разных классов можно восстановить трехмерный вид молекулы с низким разрешением. Если же есть внутренняя симметрия частиц (например, при cryo-EM анализе вирусов), то можно еще каждую частицу поусреднять в соответствии с операторами симметрии – тогда разрешение будет еще лучше, но хуже, чем в случае рентгеноструктурного анализа.

Рентгеноструктурный анализ – основной способ определения структур белка. Главный плюс – потенциально можно получить кристаллы даже очень больших комплексов из многих десятков белков (например, именно так была определена структура рибосомы – Нобелевская премия 2009 года). Минус метода – вначале нужно получить кристалл белка, но далеко не каждый белок хочет кристаллизоваться.

Зато после того, как кристалл получен, по дифракции рентгеновского излучения можно однозначно определить положения всех (упорядоченных) атомов в молекуле белка, этот метод дает самое высокое разрешение и позволяет в лучших случаях видеть позиции отдельных атомов. Было доказано, что структура белка в кристалле однозначно соответствует структуре в растворе.

Сейчас действует конвенция – если ты определил структуру белка любым из экспериментальных физических методов, структура должна быть помещена в открытый доступ в банк данных белковых структур (Protein Data Bank – PDB, www.pdb.org), в настоящее время там находится более 90 000 структур (впрочем, многие из них повторяющиеся, например, комплексы одного и того же белка с разными малыми молекулами, такими, как лекарственные средства). В PDB все структуры лежат в стандартном формате, называющемся, внезапно, pdb. Это текстовый формат, в котором каждому атому структуры соответствует одна строчка, в которой указан номер атома в структуре, название атома (углерод, азот и тд), название аминокислоты, в которую входит атом, название цепи белка (A, B, C и тд, если это кристалл комплекса из нескольких белков), номер аминокислоты в цепи и трехмерные координаты атома в ангстремах относительно ориджина, плюс так называемые температурный фактор и заселённость (это сугубо кристаллографические параметры).

ATOM 1 N HIS A 17 -12.690 8.753 5.446 1.00 29.32 N ATOM 2 CA HIS A 17 -11.570 8.953 6.350 1.00 21.61 C ATOM 3 C HIS A 17 -10.274 8.970 5.544 1.00 22.01 C ATOM 4 O HIS A 17 -10.193 8.315 4.491 1.00 29.95 O ATOM 5 CB HIS A 17 -11.462 7.820 7.380 1.00 23.64 C ATOM 6 CG HIS A 17 -12.551 7.811 8.421 1.00 21.18 C ATOM 7 ND1 HIS A 17 -13.731 7.137 8.194 1.00 28.94 N ATOM 8 CD2 HIS A 17 -12.634 8.384 9.644 1.00 21.69 C ATOM 9 CE1 HIS A 17 -14.492 7.301 9.267 1.00 27.01 C ATOM 10 NE2 HIS A 17 -13.869 8.058 10.168 1.00 22.66 N ATOM 11 N ILE A 18 -9.269 9.660 6.089 1.00 19.45 N ATOM 12 CA ILE A 18 -7.910 9.377 5.605 1.00 18.67 C ATOM 13 C ILE A 18 -7.122 8.759 6.749 1.00 16.24 C ATOM 14 O ILE A 18 -7.425 8.919 7.929 1.00 18.80 O ATOM 15 CB ILE A 18 -7.228 10.640 5.088 1.00 20.22 C ATOM 16 CG1 ILE A 18 -7.062 11.686 6.183 1.00 18.52 C ATOM 17 CG2 ILE A 18 -7.981 11.176 3.889 1.00 24.61 C ATOM 18 CD1 ILE A 18 -6.161 12.824 5.749 1.00 28.21 C ATOM 19 N ASN A 19 -6.121 8.023 6.349 1.00 15.46 N ATOM 20 CA ASN A 19 -5.239 7.306 7.243 1.00 14.34 C ATOM 21 C ASN A 19 -4.012 8.178 7.507 1.00 14.83 C ATOM 22 O ASN A 19 -3.431 8.715 6.575 1.00 18.03 O ATOM 23 CB ASN A 19 -4.825 6.003 6.573 1.00 17.71 C ATOM 24 CG ASN A 19 -6.062 5.099 6.413 1.00 21.26 C ATOM 25 OD1 ASN A 19 -6.606 4.651 7.400 1.00 26.18 O ATOM 26 ND2 ASN A 19 -6.320 4.899 5.151 1.00 31.73 N

Далее есть специальные программы, которые по данным из этого текстового файла могут графически отображать красивую трехмерную структуру молекулы белка, которую можно покрутить на экране монитора и, как говорил Гай Додсон , «дотронуться мышкой до молекулы» (например, PyMol , CCP4mg , старый RasMol). То есть смотреть на структуры белка просто – ставишь программу, загружаешь нужную структуру из PDB и наслаждаешься красотой природы.

4. Анализируем структуру

Вторичная структура белка определяется взаимодействием атомов основной цепи белка. Как уже было сказано выше, в состав основной цепи белка входят доноры и акцепторы водородной связи, таким образом, основная цепь может приобретать некоторую структуру. Точнее, несколько разных структур (детали все-таки зависят от различающихся боковых групп), так как возможно образование разных альтернативных водородных связей между группами основной цепи. Структуры бывают такие: альфа-спираль, бета-листы (состоящие из нескольких бета-тяжей), которые бывают параллельными и анти-параллельными, бета-поворот. Плюс часть цепи может и не иметь выраженной структуры, например в районе поворота петли белка. Эти типы структур имеют свои устоявшиеся схематичные обозначения – альфа-спираль в виде спирали или цилиндра, бета-тяжи в виде широких стрелок. Вторичную структуру удается достаточно достоверно предсказывать по первичной (стандартом является JPred), альфа-спирали предсказываются наиболее точно, с бета-тяжами бывают накладки.

Третичная структура белка определяется взаимодействием боковых групп аминокислотных остатков, это и есть трехмерная структура белка. Можно представить себе, что вторичная структура сформирована и теперь эти спирали и бета-тяжи хотят уложиться все вместе в компактную трехмерную структуру, чтобы все гидрофобные боковые группы спокойно «слиплись» вместе в глубине белковой глобулы, сформировав гидрофобное ядро, а полярные и заряженные остатки торчали наружу в воду, формируя поверхность белка и стабилизируя контакты между элементами вторичной структуры. Третичную структуру изображают схематически несколькими способами. Если просто отрисовать все атомы, то получится каша (хотя когда мы анализируем активный центр белка, то мы хотим смотреть как раз на все атомы активных остатков).

Если мы хотим посмотреть, как устроен весь белок в общем, можно отобразить только некоторые атомы основной цепи, чтобы увидеть ее ход. Как вариант, можно нарисовать красивую схему, где поверх реального расположения атомов схематично нарисованы элементы вторичной структуры – так с первого взгляда видна укладка белка. После изучения всей структуры в общем, схематичном виде, можно отобразить химические группы активного центра и уже сосредоточиться на них. Задача предсказания третичной структуры белка – нетривиальная и в общем случае не решается, хотя может быть решена в частных случаях. Подробнее – ниже.

Четвертичная структура белка – да, есть и такая, правда не у всех белков. Многие белки работают сами по себе (мономеры, в данном случае под мономером имеется в виду одиночная свернутая полипептидная цепь, то есть белок целиком), тогда их четвертичная структура равна третичной. Однако достаточно много белков работает только в комплексе, состоящем из нескольких полипептидных цепей (субъединиц или мономеров - димеры, тримеры, тетрамеры, мультимеры), тогда вот такая сборка из нескольких отдельных цепей и называется четвертичной структурой. Самый банальный пример – состоящий из 4 субъединиц гемоглобин , самый красивый на мой взгляд пример – состоящий из 11 одинаковых субъединиц бактериальный белок TRAP .

5. Вычислительные задачи

На уровне первичной структуры – поиск белков с похожей аминокислотной последовательностью, построение по ним эволюционных деревьев и тд – классические задачи биоинформатики. Главным хабом является NCBI - The National Center for Biotechnology Information, www.ncbi.nlm.nih.gov . Для поиска белков со сходной последовательностью стандартно используется BLAST: blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi

Предсказание растворимости белка. Речь идет о том, что если мы прочитаем геном какого-нибудь животного, определим по нему последовательности белков, переклонируем эти гены в кишечную палочку или baculovirus expression system, то окажется, что при экспрессии в этих системах примерно треть белков не будет сворачиваться в правильную структуру, и, как следствие, будет нерастворима. Тут выясняется, что большие белки на самом деле состоят из отдельных «доменов», каждый из которых представляет автономную, функциональную часть белка (несущую одну из его функций) и часто «вырезав» из гена отдельный домен, можно получить растворимый белок, определить его структуру и провести с ним опыты. Люди пытаются использовать машинное обучение (нейронные сети, SVM и прочие классификаторы), чтобы предсказывать растворимость белка, однако работает оно достаточно плохо (Гугл много чего покажет по запросу “protein solubility prediction” – есть много серверов, но по моему опыту все они работают отвратительно на моих белках). В идеале я хотел бы видеть сервис, который надежно сказал бы, где в белке находятся те самые растворимые домены, чтобы их можно было вырезать и работать с ними – такого сервиса нет.

На уровне вторичной структуры – предсказание той самой вторичной структуры по первичной (JPred)

На уровне третичной структуры – поиск белков со сходными трехмерными структурами (DALI , en.wikipedia.org/wiki/Structural_alignment),
Поиск структур по заданной суб-структуре. Например, у меня есть расположение трех аминокислот активного центра в пространстве. Хочу найти структуры, которые содержать такие же три аминокислоты в таком же относительном расположении, либо найти структуры белков, мутирование которых даст возможность расположить нужные аминокислоты нужным образом. (гуглить «protein substructure search»)
Предсказание потенциальной подвижности трехмерной структуры, возможных конформационных изменений – normal mode analysis, ElNemo .

На уровне четвертичной структуры – предположим, известны структуры двух белков. Известно, что они образуют комплекс. Предсказать структуру комплекса (определить, как эти два белка будут взаимодействовать посредством shape matching, например). Гуглить «protein-protein docking»

6. Предсказание структуры белка

Экспериментально мы знаем, что если взять белок, полностью развернуть его и бросить в воду, то он свернется обратно в исходное состояние за время от миллисекунд до секунд (это утверждение справедливо по крайней мере для небольших глобулярных белков без всяких патологий). Это значит, что вся информация, необходимая для определения трехмерной структуры белка, в неявном виде содержится в его первичной последовательности, поэтому так хочется научиться предсказывать трехмерную структуру белка по последовательности аминокислот in silico ! Однако эта задача в общем случае не решена до сих пор. В чем же дело? Дело в том, что в первичной последовательности отсутствует в явном виде информация, необходимая для построения структуры. Во-первых, нет информации о конформации основной цепи – а она обладает значительной подвижностью, хотя и несколько ограниченной по стерическим причинам. Плюс каждая боковая цепь каждой аминокислоты может находиться в разных конформациях, для длинных боковых групп типа аргинина, это может быть больше десятка конформаций.

Что же делать? Есть достаточно известный хабравчанам самый общий подход, называемый «молекулярная динамика» и подходящий для любых молекул и систем. Берем развернутый белок, приписываем всем атомам случайные значения скоростей, считаем взаимодействия между атомами, повторяем до тех пор, пока система не придет в стабильное состояние, соответствующее свернутому белку. Почему это не работает? Потому что современные вычислительные мощности позволяют за месяцы работы кластера считать десятки наносекунд для системы из тысяч атомов, какой является белок, помещенный в воду. Время же сворачивания белка – миллисекунды и больше, то есть вычислительных мощностей не хватает, разрыв – в несколько порядков. Впрочем, пару лет назад американцы совершили некоторый прорыв. Они использовали специальное железо, оптимизированное для векторных вычислений и после оптимизации на аппаратном уровне у них за месяцы работы машины получилось посчитать молдинамику до миллисекунд для очень маленького белка и белок свернулся, структура соответствовала экспериментально определенной (http://en.wikipedia.org/wiki/Anton_(computer))! Однако праздновать победу еще рано. Они взяли очень маленький (его размер раз в 5-10 меньше среднего белка) и один из самых быстросворачивающихся белков, классический модельный белок, на котором изучалось сворачивание. Для больших белков время расчетов увеличивается нелинейно и потребуются уже годы, то есть еще есть над чем работать.

Другой подход реализован в Rosetta . Они разбивают последовательность белка на очень короткие (3-9 остатков) фрагменты и смотрят, какие конформации для этих фрагментов присутствуют в PDB, после чего запускают Монте-Карло по всем вариантам и смотрят, что получится. Иногда получается что-то годное, но в моих случаях через несколько дней работы кластера получаешь такой бублик, что возникает немой вопрос: «Кто писал их оценочную функцию, ставящую какую-то хорошую оценку вот этой загогулине?».

Есть инструменты и для моделирования вручную – можно предсказать вторичную структуру и попробовать вручную крутить ее, находя лучшую укладку. Некие гениальные люди даже выпустили игрушку FoldIt , представляющую белок схематично и позволяющую укладывать его, как-бы собирая головоломку (для интересующихся структурой – рекомендую!). Есть абсолютно официальное соревнование для предсказателей белковых структур, называемое CASP . Суть в том, что когда экспериментаторы определяют новую структуру белка, не имеющую аналогов в PDB, они могут не выкладывать ее сразу в PDB, а выставить последовательность этого белка на конкурс предсказаний CASP . Через некоторое время, когда все закончат свои предсказательные модели, экспериментаторы выкладывают свою экспериментально определенную структуру белка и смотрят, насколько хорошо сработали предсказатели. Самое интересное, что игроки FoldIt , не будучи учеными, как-то выиграли CASP у профессионалов моделирования белковых структур и предсказали структуру белка точнее. Однако даже эти успехи не позволяют утверждать, что проблема предсказания структуры белка решается – очень часто модель очень далека от реальной структуры.

Все это относилось к моделированию белков ab initio , когда нет никакой априорной информации о структуре. Однако очень часто бывают ситуации, когда для некоторого белка в PDB присутствует его отдаленный родственник с уже известной структурой. Под родственником подразумевается белок с похожей первичной последовательностью. Считается, что для белков со сходством по первичной последовательности больше 30% одинаковая укладка основной цепи (хотя одинаковая укладка наблюдалась и для белков, не проявляющих никакого статистически достоверного сходства по первичной последовательности). В случае наличия гомолога (похожего белка) с известной структурой, можно сделать «гомологичное моделирование», то есть попросту «натянуть» последовательность твоего белка на известную структуру гомолога, а потом погонять минимизацию энергии, чтобы как-то все это дело утрясти. Такое моделирование показывает хорошие результаты при наличие очень близких гомологов, чем дальше гомолог – тем больше ошибка. Инструменты для гомологичного моделирования – Modeller , SwissModel .

Можно решать и другие задачи, например, пытаться моделировать, что произойдет, если внести в белок ту или иную мутацию. Например, если заменить гидрофильную аминокислоту на поверхности белка на другую гидрофильную, то скорее всего структура белка не изменится вообще. Если заменить аминокислоту из гидрофобного ядра на другую гидрофобную, но другого размера, то скорее всего укладка белка останется той же, но слегка «съедет» на доли ангстрема. Если же заменить аминокислоту из гидрофобного ядра на заряженную, то скорее всего белок просто «взорвется» и не сможет свернуться.

Может показаться, что все не так уж и плохо и мы достаточно хорошо пониманием сворачивание белка. Да, мы понимаем кое-что, например до некоторой степени мы понимаем общие физические принципы, лежащие в основе сворачивания полипептидной цепи – они рассматриваются в замечательном учебнике Птицына и Финкельштейна «Физика белка» . Однако это общее понимание не позволяет нам ответить на вопросы «Свернется ли данный белок или не свернется?», «Какая структура будет у этого белка?», «Как сделать белок с желаемой структурой?».

Вот одна из иллюстраций: мы хотим локализовать один из доменов большого белка, это стандартная задача. У нас есть фрагмент, который сворачивается и растворим, то есть это живой и здоровый белок. Мы же хотим найти его минимальную часть и начинаем методами генетической инженерии с обоих концов удалять по 2-3 аминокислоты, экспрессировать такой обрезанный белок в бактерии и смотреть его сворачиваемость экспериментально. Мы делаем десятки конструкций с такими маленькими делециями и видим такую картину – полностью растворимый и живой белок отличается от полностью мертвого и несворачивающегося на 3 аминокислоты. Повторюсь, это объективный экспериментальный результат. Проблема в том, что сейчас не существует вычислительного метода, который предсказал бы сворачиваемость белка хотя бы на уровне «да/нет» и сказал мне, где проходит граница между сворачивающимся и несворачивающимся белком, потому мы вынуждены клонировать и экспериментально проверять десятки вариантов. Это лишь одна из иллюстраций того, что наше понимание структуры белка весьма далеко от совершенства. Как говорил Ричард Фейнман, «Чего не могу воссоздать, того не понимаю».

Так что, господа программисты, физики и математики, нам еще есть над чем работать.

На этой оптимистичной ноте разрешите откланяться, благодарю всех, кто осилил сей опус.

Для глубоко знакомства с предметной областью рекомендую следующий минимум:
1) «Физика белка» Птицын и Финкельштейн. Большую часть материала Алексей Витальевич Финкельштейн выложил в онлайн, чем и рекомендую с благодарностью воспользоваться: phys.protres.ru/lectures/protein_physics/index.html (а я утащил оттуда несколько картинок)
2) Патрушев, «Искусственные генетические системы», особенно часть II «Белковая инженерия». Есть на торрентах в формате Djvu
3) Для информации, опубликованной в биологических научных журналах, есть официальный поисковик PubMed (www.pubmed.org) - у него стоит попросить почитать про «protein engineering» и тому подобное.

Теги:

• биология
• биоинформатика
• биотехнологии

Л инейные полипептидные цепи индивидуальных белков за счёт взаимодействия функциональных групп аминокислот приобретают определённую пространственную трёхмерную структуру, называемую "конформация". Все молекулы индивидуальных белков (т.е. имеющих одинаковую первичную структуру) образуют в растворе одинаковую конформацию. Следовательно, вся информация, необходимая для формирования пространственных структур, находится в первичной структуре белков.

В белках различают 2 основных типа конформации полипептидных цепей: вторичную и третичную структуры.

2. Вторичная структура белков - пространственная структура, образующаяся в результате взаимодействия между функциональными группами пептидного остова.

При этом пептидные цепи могут приобретать регулярные структуры двух типов: α-спирали

β-структрура Под β-структурой понимают фигуру, подобную листу, сложенному «гармошкой». Фигура формируется за счет образования множества водородных связей между атомами пептидных групп линейных областей одной полипептидной цепи, делающей изгибы, или между разными полипептидными группами.

Связи - водородные, они стабилизируют отдельные фрагменты макромолекул.

3. Третичная структура белков - трёхмерная пространственная структура, образующаяся за счёт взаимодействий между радикалами аминокислот, которые могут располагаться на значительном расстоянии друг от друга в полипептидной цепи.

Структурно состоит из элементов вторичной структуры, стабилизированных различными типами взаимодействий, в которых гидрофобные взаимодействия играют важнейшую роль
стабилизации третичной структуры белка принимают участие:

· ковалентные связи (между двумя остатками цистеина - дисульфидные мостики);

· ионные связи между противоположно заряженными боковыми группами аминокислотных остатков;

· водородные связи;

· гидрофильно-гидрофобные взаимодействия. При взаимодействии с окружающими молекулами воды белковая молекула «стремится» свернуться так, чтобы неполярные боковые группы аминокислот оказались изолированы от водного раствора; на поверхности молекулы оказываются полярные гидрофильные боковые группы.

4. Четвертичной структурой называют взаимное расположение нескольких полипептидных цепей в составе единого белкового комплекса. Белковые молекулы, входящие в состав белка с четвертичной структурой, образуются на рибосомах по отдельности и лишь после окончания синтеза образуют общую надмолекулярную структуру. В состав белка с четвертичной структурой могут входить как идентичные, так и различающиеся полипептидные цепочки. В стабилизации четвертичной структуры принимают участие те же типы взаимодействий, что и в стабилизации третичной . Надмолекулярные белковые комплексы могут состоять из десятков молекул.

Роль.

Образование пептидов в организме происходит в течение нескольких минут, химический же синтез в условиях лаборатории - достаточно длительный процесс, который может занимать несколько дней, а разработка технологии синтеза – несколько лет. Однако, несмотря на это, существуют довольно весомые аргументы в пользу проведения работ по синтезу аналогов природных пептидов. Во-первых, путём химической модификации пептидов возможно подтвердить гипотезу первичной структуры. Аминокислотные последовательности некоторых гормонов стали известны именно благодаря синтезу их аналогов в лаборатории.

Во-вторых, синтетические пептиды позволяют подробнее изучить связь между структурой аминокислотной последовательности и её активностью. Для выяснения связи между конкретной структурой пептида и его биологической активностью была проведена огромная работа по синтезу не одной тысячи аналогов. В результате удалось выяснить, что замена лишь одной аминокислоты в структуре пептида способна в несколько раз увеличить его биологическую активность или изменить её направленность. А изменение длины аминокислотной последовательности помогает определить расположение активных центров пептида и участка рецепторного взаимодействия.

В-третьих, благодаря модификации исходной аминокислотной последовательности, появилась возможность получать фармакологические препараты. Создание аналогов природных пептидов позволяет выявить более «эффективные» конфигурации молекул, которые усиливают биологическое действие или делают его более продолжительным.

В-четвёртых, химический синтез пептидов экономически выгоден. Большинство терапевтических препаратов стоили бы в десятки раз больше, если бы были сделаны на основе природного продукта.

Зачастую активные пептиды в природе обнаруживаются лишь в нанограммовых количествах. Плюс к этому, методы очистки и выделения пептидов из природных источников не могут полностью разделить искомую аминокислотную последовательность с пептидами противоположного или же иного действия. А в случае специфических пептидов, синтезируемых организмом человека, получить их возможно лишь путём синтеза в лабораторных условиях.

57. Классификация белков: простые и сложные, глобулярные и фибриллярные, мономерные и олигомерные. Функции белков в организме .

Классификация по типу строения

По общему типу строения белки можно разбить на три группы:

1. Фибриллярные белки - образуют полимеры, их структура обычно высокорегулярна и поддерживается, в основном, взаимодействиями между разными цепями. Они образуют микрофиламенты, микротрубочки, фибриллы, поддерживают структуру клеток и тканей. К фибриллярным белкам относятся кератин и коллаген.

2. Глобулярные белки - водорастворимы, общая форма молекулы более или менее сферическая.

3. Мембранные белки - имеют пересекающие клеточную мембрану домены, но части их выступают из мембраны в межклеточное окружение и цитоплазму клетки. Мембранные белки выполняют функцию рецепторов, то есть осуществляют передачу сигналов, а также обеспечивают трансмембранный транспорт различных веществ. Белки-транспортёры специфичны, каждый из них пропускает через мембрану только определённые молекулы или определённый тип сигнала.

Простые белки , Сложные белки

Помимо пептидных цепей, в состав многих белков входят и неаминокислотные группы, и по этому критерию белки делят на две большие группы - простые и сложные белки (протеиды). Простые белки состоят только из полипептидных цепей, сложные белки содержат также неаминокислотные, или простетические, группы.

Простые.

Среди глобулярных белков можно выделить:

1. альбумины - растворимы в воде в широком интервале рН (от 4 до 8,5), осаждаются 70-100%-ным раствором сульфата аммония;

2. полифункциональные глобулины с большей молекулярной массой, труднее растворимы в воде, растворимы в солевых растворах, часто содержат углеводную часть;

3. гистоны - низкомолекулярные белки с высоким содержанием в молекуле остатков аргинина и лизина, что обусловливает их основные свойства;

4. протамины отличаются еще более высоким содержанием аргинина (до 85 %), как и гистоны, образуют устойчивые ассоциаты с нуклеиновыми кислотами, выступают как регуляторные и репрессорные белки - составная часть нуклеопротеинов;

5. проламины характеризуются высоким содержанием глутаминовой кислоты (30-45 %) и пролина (до 15 %), нерастворимы в воде, растворяются в 50-90 % этаноле;

6. глутелины содержат около 45 % глутаминовой кислоты, как и проламины, чаще содержатся в белках злаков.

Фибриллярные белки характеризуются волокнистой структурой, практически нерастворимы в воде и солевых растворах. Полипептидные цепи в молекулах расположены параллельно одна другой. Участвуют в образовании структурных элементов соединительной ткани (коллагены, кератины, эластины).

Сло́жные белки́

(протеиды , холопротеины ) - двухкомпонентные белки, в которых помимо пептидных цепей (простого белка) содержится компонент неаминокислотной природы - простетическая группа. При гидролизе сложных белков, кроме аминокислот, освобождается небелковая часть или продукты её распада.

В качестве простетической группы могут выступать различные органические (липиды, углеводы) и неорганические (металлы) вещества.

В зависимости от химической природы простетических групп среди сложных белков выделяют следующие классы :

· Гликопротеиды, содержащие в качестве простетической группы ковалентно связанные углеводные остатки и их подкласс - протеогликаны, с мукополисахаридными простетическими группами. В образовании связи с углеводными остатками обычно участвуют гидроксильные группы серина или треонина. Большая часть внеклеточных белков, в частности, иммуноглобулины - гликопротеиды. В протеогликанах углеводная часть составляет ~95 %, они являются основным компонентом межклеточного матрикса.

· Липопротеиды, содержащие в качестве простетической части нековалентно связанные липиды. Липопротеиды, образованные белками-аполипопротеинами связывающимися с ними липидами и выполняют функцию транспорта липидов.

· Металлопротеиды, содержащие негемовые координационно связанные ионы металлов. Среди металлопротеидов есть белки, выполняющие депонирующие и транспортные функции (например, железосодержащие ферритин и трансферрин) и ферменты (например, цинксодержащая карбоангидраза и различные супероксиддисмутазы, содержащие в качестве активных центров ионы меди, марганца, железа и других металлов)

· Нуклеопротеиды, содержащие нековалентно связанные ДНК или РНК, в частности, хроматин, из которого состоят хромосомы, является нуклеопротеидом .

· Фосфопротеиды, содержащие в качестве простетической группы ковалентно связанные остатки фосфорной кислоты. В образовании сложноэфирной связи с фосфатом участвуют гидроксильные группы серина или треонина, фосфопротеинами являются, в частности, казеин молока :

· Хромопротеиды - собирательное название сложных белков с окрашенными простетическими группами различной химической природы. К ним относится множество белков с металлсодержащейпорфириновой простетической группой, выполняющие разнообразные функции - гемопротеины (белки, содержащие в качестве простетической группы гем - гемоглобин, цитохромы и др.), хлорофиллы;флавопротеиды с флавиновой группой, и др.

1. Структурная функция

2. Защитная функция

3. Регуляторная функция

4. Сигнальная функция

5. Транспортная функция

6. Запасная (резервная) функция

7. Рецепторная функция

8. Моторная (двигательная) функция

Белки представляют собой органические высокомолекулярные соединения. Эти вещества также называют протеинами, полипептидами. Далее рассмотрим, каковы структура и функции белков.

Общие сведения

Химическая структура белков представлена альфа-аминокислотами, соединенными в цепочку посредством пептидной связи. В живых организмах состав определяет генетический код. В процессе синтеза в большинстве случаев применяется 20 аминокислот стандартного типа. Множеством их комбинаций формируются белковые молекулы с самыми разнообразными свойствами. Аминокислотные остатки часто подвергаются посттрансляционным модификациям. Они могут возникнуть и до того, как белок станет выполнять свои функции, и в процессе его активности в клетке. В живых организмах часто несколько молекул формируют сложные комплексы. В качестве примера можно привести фотосинтетическое объединение.

Назначение соединений

Белки считаются важной составляющей питания человека и животных в связи с тем, что в их организмах все необходимые аминокислоты синтезироваться не могут. Часть их должна поступать вместе с белковой пищей. Основными источниками соединений выступают мясо, орехи, молоко, рыба, зерновые. В меньшей степени протеины присутствуют в овощах, грибах и ягодах. При пищеварении посредством ферментов потребленные белки подвергаются разрушению до аминокислот. Они уже используются в биосинтезе собственных протеинов в организме либо подвергаются распаду дальше - для получения энергии.

Историческая справка

Последовательность структуры белка инсулина была определена впервые Фредериеом Сенгером. За свою работу он получил Нобелевскую премию в 1958 году. Сенгер использовал метод секвенирования. С помощью дифракции рентгеновского излучения впоследствии были получены трехмерные структуры миоглобина и гемоглобина (в конце 1950 гг.). Работы проводили Джон Кендрю и Макс Перуц.

Структура молекулы белка

Она включает в себя линейные полимеры. Они, в свою очередь, состоят из остатков альфа-аминокислот, являющихся мономерами. Кроме того, структура белка может включать компоненты, имеющие неаминокислотную природу, и аминокислотные остатки модифицированного типа. При обозначении компонентов применяются 1- либо 3-буквенные сокращения. Соединение, в состав которого входит от двух до нескольких десятков остатков, именуется часто как "полипептид". В результате взаимодействия альфа-карбоксильной группы одной аминокислоты с альфа-аминогруппой другой появляются (в процессе формирования структуры белка) связи. В соединении выделяют С- и N- концы, в зависимости от того, какая группа аминокислотного остатка является свободной: -СООН либо -NH 2 . В процессе синтеза белка на рибосоме в качестве первого концевого выступает, как правило, остаток метионина; присоединение последующих осуществляется к С-концу предыдущих.

Уровни организации

Они были предложены Линдрем-Лангом. Несмотря на то что данное деление считается несколько устаревшим, им все еще пользуются. Было предложено выделять четыре уровня организации соединений. Первичная структура молекулы белка определяется генетическим кодом и особенностями гена. Для более высоких уровней характерно формирование в ходе сворачивания протеина. Пространственная структура белка определяется в целом аминокислотной цепью. Тем не менее она достаточно лабильна. На нее могут оказывать влияние внешние факторы. В связи с этим более корректно говорить о конформации соединения, наиболее выгодной и предпочтительной энергетически.

1 уровень

Он представлен последовательностью аминокислотных остатков полипептидной цепи. Как правило, его описывают с использованием одно- либо трехбуквенных обозначений. Первичная структура белков отличается устойчивыми сочетаниями аминокислотных остатков. Они выполняют определенные задачи. Такие "консервативные мотивы" остаются сохраненными в ходе видовой эволюции. По ним достаточно часто можно предсказывать задачу неизвестного протеина. Оценивая степень сходства (гомологии) в аминокислотных цепях от различных организмов, можно определять эволюционное расстояние, образующееся между таксонами, которые составляют эти организмы. Первичная структура белков определяется методом секвенирования либо по исходному комплексу его мРНК с использованием таблицы генетического кода.

Локальное упорядочивание участка цепи

Это следующий уровень организации - вторичная структура белков. Существует несколько ее типов. Локальное упорядочивание участка цепи полипептида стабилизируется водородными связями. Наиболее популярными типами считаются:

Пространственное строение

Третичная структура белков включает в себя элементы предыдущего уровня. Они стабилизируются разными типами взаимодействий. Важнейшее значение при этом имеют гидрофобные связи. В стабилизации участвуют:

• Ковалентные взаимодействия.
• Ионные связи, формирующиеся между боковыми аминокислотными группами, имеющими противоположные заряды.
• Водородные взаимодействия.
• Гидрофобные связи. В процессе взаимодействия с окружающими элементами Н 2 О происходит сворачивание протеина так, чтобы боковые неполярные аминокислотные группы оказывались изолированными от водного раствора. Гидрофильные группы (полярные) оказываются на поверхности молекулы.

Третичная структура белков определяется методами магнитного (ядерного) резонанса, некоторыми видами микроскопии и прочими способами.

Принцип укладки

Исследования показали, что между 2 и 3 уровнями удобно выделить еще один. Его именуют "архитектурой", "мотивом укладки". Он определяется взаиморасположением компонентов вторичной структуры (бета-тяжей и альфа-спиралей) в границах компактной глобулы - белкового домена. Он может существовать самостоятельно либо быть включенным в состав более крупного протеина вместе с прочими аналогичными. Установлено, что мотивы укладки достаточно консервативны. Они встречаются в протеинах, не обладающих ни эволюционными, ни функциональными связями. Определение архитектуры лежит в основе рациональной (физической) классификации.

Доменная организация

При взаимном расположении нескольких цепей полипептидов в составе одного протеинового комплекса формируется четвертичная структура белков. Элементы, входящие в ее состав, образуются по отдельности на рибосомах. Только по завершении синтеза начинает образовываться данная структура белка. Она может содержать как различающиеся, так и идентичные полипептидные цепи. Четвертичная структура белков стабилизируется за счет тех же взаимодействий, что и на предыдущем уровне. Некоторые комплексы могут включать в себя несколько десятков протеинов.

Структура белка: защитные задачи

Полипептиды цитоскелета, выступая в некотором роде в качестве арматуры, придают многим органоидам форму, участвуют в ее изменении. Структурные протеины обеспечивают защиту организма. К примеру, таким белком является коллаген. Он формирует основу в межклеточном веществе соединительных тканей. Также защитной функцией обладает кератин. Он составляет основу рогов, перьев, волос и прочих производных эпидермиса. При связывании белками токсинов во многих случаях происходит детоксикация последних. Так выполняется задача по химической защите организма. Особенно важную роль в процессе обезвреживания токсинов в человеческом организме играют печеночные ферменты. Они способны расщеплять яды или переводить их в растворимую форму. Это способствует более быстрой транспортировке их из организма. Белки, присутствующие в крови и прочих биологических жидкостях, обеспечивают иммунную защиту, вызывая реакцию как на атаку патогенов, так и на повреждение. Иммуноглобулины (антитела и компоненты системы комплемента) способны нейтрализовывать бактерии, чужеродные протеины и вирусы.

Механизм регуляции

Белковые молекулы, не выступающие ни в качестве источника энергии, ни как строительный материал, контролируют многие внутриклеточные процессы. Так, за счет них осуществляется регулирование трансляции, транскрипции, слайсинга, деятельность прочих полипептидов. Механизм регуляции основывается на ферментативной активности или проявляется благодаря специфичному связыванию с прочими молекулами. К примеру, факторы транскрипции, полипептиды-активаторы и протеины- репрессоры способны контролировать интенсивность генной транскрипции. При этом они взаимодействуют с регуляторными последовательностями генов. Важнейшая роль в контроле над течением внутриклеточных процессов отводится протеинфосфатазам и протеинкиназам. Эти ферменты запускают либо подавляют активность прочих белков посредством присоединения или отщепления от них фосфатных групп.

Сигнальная задача

Ее часто объединяют с регуляторной функцией. Это связано с тем, что многие внутриклеточные, как и внеклеточные, полипептиды могут передавать сигналы. Такой способностью обладают факторы роста, цитокины, гормоны и прочие соединения. Стероиды транспортируются по крови. Взаимодействие гормона с рецептором выступает в качестве сигнала, за счет которого запускается ответная реакция клетки. Стероиды контролируют содержание соединений в крови и клетках, размножение, рост и прочие процессы. В качестве примера можно привести инсулин. Он регулирует уровень глюкозы. Взаимодействие клеток осуществляется посредством сигнальных белковых соединений, передаваемых по межклеточному веществу.

Транспорт элементов

Растворимые протеины, участвующие в перемещении малых молекул, имеют высокое сродство к субстрату, присутствующему в повышенной концентрации. Они обладают также способностью к легкому его высвобождению в областях с низким его содержанием. В качестве примера можно привести транспортный белок гемоглобин. Он перемещает из легких кислород к прочим тканям, а от них - переносит углекислый газ. В транспортировке малых молекул через стенки клетки, изменяя их, участвуют и некоторые мембранные белки. Липидный слой цитоплазмы обладает водонепроницаемостью. Благодаря этому предотвращается диффузия заряженных или полярных молекул. Мембранные транспортные соединения принято разделять на переносчиков и каналы.

Резервные соединения

Эти белки формируют так называемые запасы. Они накапливаются, например, в семенах растений, животных яйцеклетках. Такие белки выступают в качестве резервного источника вещества и энергии. Некоторые соединения используются организмом как аминокислотный резервуар. Они, в свою очередь, являются предшественниками активных веществ, участвующих в регулировании метаболизма.

Клеточные рецепторы

Такие белки могут располагаться как непосредственно в цитоплазме, так и встраиваться в стенку. Одной своей частью соединение принимает сигнал. В качестве него, как правило, выступает химическое вещество, а в ряде случаев - механическое воздействие (растяжение, к примеру), свет и прочие стимулы. В процессе воздействия сигнала на определенный фрагмент молекулы - полипептид-рецептор - начинаются ее конформационные изменения. Они провоцируют смену конформации остальной части, выполняющей передачу стимула на прочие компоненты клетки. Отправка сигнала может осуществляться разными способами. Одни рецепторы способны катализировать химическую реакцию, вторые - выступают в качестве ионных каналов, закрывающихся либо открывающихся под воздействием стимула. Некоторые соединения специфически связывают молекулы-посредники внутри клетки.

Моторные полипептиды

Существует целый класс белков, обеспечивающих движения организма. Моторные белки участвуют в сокращении мышц, перемещении клеток, активности жгутиков и ресничек. За счет них также выполняется направленные и активный транспорт. Кинезины и динеины осуществляют перенос молекул по ходу микротрубочек с использованием в качестве энергетического источника гидролиза АТФ. Вторые перемещают органоиды и прочие элементы по направлению к центросоме из периферических клеточных участков. Кинезины движутся в обратном направлении. Динеины, кроме того, отвечают за активность жгутиков и ресничек.

Белки, или протеины, в живых организмах образуются в основном из 20 важнейших природных ос-аминокислот в ре­зультате реакции поликонденсации в присутствии ферментов. Молекулярные массы белков варьируют в очень широких пределах: от 10 000 до 1 000 000 и выше.

Остов белковой цепи построен из аминокислотных фрагмен­тов, соединенных пептидной связью, и окружен разнообразными по химической природе заместителями. Пептидная связь в бел­ках устойчива при 37°С в нейтральной среде, но в кислой или щелочной среде может гидролизоваться. В организме гидролиз белка осуществляется под действием ферментов пептидаз и стро­го контролируется.

В природных белках широко варьируются длина и состав це­пи, что позволяет их молекулам даже в растворе принимать многообразные конформации.

Конформации макромолекулы белка в растворе представ­ляют собой различные ее пространственные формы, воз­никающие в результате поворотов отдельных молекуляр­ных фрагментов вокруг ординарных связей и стабили­зирующиеся за счет межмолекулярных связей между отдельными группами данной макромолекулы или молеку­лами веществ, находящимися в окружающем растворе.

Взаимные переходы конформации в основном осуществляют­ся без разрыва ковалентных связей в макромолекуле белка. При описании состава и конформации белка используют понятия пер­вичная, вторичная, третичная и четвертичная структуры.

Первичная структура специфична для индивидуального бел­ка и определяется составом и последовательностью аминокислот­ных остатков его цепи. При написании полных формул белков указывают порядок следования друг за другом аминокислотных остатков с помощью их трехбуквенных обозначений, начиная с N-конца цепи. Представление о первичной структуре миоглоби-на человека, содержащего в молекуле всего 153 аминокислот­ных остатка, дает следующая сокращенная запись:

Строго линейное расположение полипептидной цепи энергети­чески не выгодно, так как оно практически исключает взаимодей­ствия между различными радикалами аминокислотных остатков. В результате именно таких взаимодействий возникают дополни­тельные связи, которые стабилизируют ту или иную конформацию белковой цепи в пространстве. Это происходит за счет следующих взаимодействий: ион-ионного взаимодействия; водородной связи; гидратации полярных групп; дисульфидной связи; взаимодейст­вий Вандер-Ваальса между неполярными заместителями; гидро­фобных взаимодействий, в результате которых выталкиваются молекулы воды из зоны взаимодействия неполярных заместителей между собой, а также донорно-акцепторной связи между ионом комплексообразователя и лигандными группами белка (рис. 21.3).

Вторичная структура белка характеризует форму полипеп­тидной цепи, которая может быть спиралевидной (а-структура), складчатой (B-структура) или неупорядоченной (рис. 21.4). Основ­ную роль в формировании и поддержании вторичной структуры

Рис. 21.3. Типы взаимодействий между заместителями аминокислотных остатков белковой молекулы и водной средой

Рис. 21.4. Вторичная структура белков: а - а-структура (спиралевидная), б - Р-структура (складчатая) играют водородные связи, возникающие между группами хребта полипептидной цепи.

Пространственное расположение а-структуры можно предста­вить, вообразив, что полипептидная цепь обвивает цилиндр, а ее боковые радикалы направлены наружу. Витки спирали скрепле­ны между собой за счет водородных связей между пептидными группами, расположенными на соседних витках спирали. И хо­тя энергия этих связей невелика, большое их число приводит к значительному энергетическому эффекту, в результате чего a-структура достаточно устойчива и жестка.

Складчатая (3-структура формируется из большого числа па­раллельных вытянутых полипептидных цепей, связанных мно­жеством водородных связей между собой. Боковые радикалы R располагаются выше и ниже плоскости, проведенной через об­разовавшийся складчатый лист.

Неупорядоченная структура отдельных фрагментов белка ха­рактеризуется отсутствием пространственной упорядоченности в их расположении.

Какая вторичная структура белка реализуется - зависит от его аминокислотного состава, т. е. от первичной структуры. Для большинства природных белков характерно сосуществование в од­ной молекуле фрагментов с а-, р- и неупорядоченной структурой.

Невысокая прочность водородных связей позволяет сравни­тельно легко трансформировать вторичную структуру под внеш­ним воздействием: изменением температуры, состава или рН среды - или под механическим воздействием. В результате транс­формации вторичной структуры белка меняются его нативные, т. е. первичные от природы, свойства, а следовательно, его био­логические и физиологические функции.

Третичная структура белка определяет общее расположение его полипептидной цепи в пространстве. Полагают, что в фор­мировании и стабилизации третичной структуры белковой молекулы решающая роль принадлежит взаимодействию боковых заместителей аминокислот, которые сближаются в пространстве за счет изгибов полипептидной цепи. Виды этих взаимодейст­вий были показаны на рис. 21.3.

Третичная структура белковой молекулы возникает совершен­но автоматически в результате самоорганизации полипептидной цепи в соответствии с ее первичной и вторичной структурами, а также с составом окружающего раствора. Движущей силой, свер­тывающей полипептидную цепь белка в строго определенное трехмерное образование, является взаимодействие аминокислотных радикалов между собой и с молекулами окружающего рас­твора. При этом в водных растворах гидрофобные заместители вталкиваются внутрь белковой молекулы, образуя там сухие зо­ны ("жирные капли"), а гидрофильные - ориентируются в сто­рону водной среды. В некоторый момент достигается энергетиче­ски выгодная конформация молекулы для водной среды, и такая конформация белковой молекулы стабилизируется. При этом энтропия полипептидной цепи уменьшается, а энтропия системы в целом (полипептидная цепь + водная среда) остается постоян­ной или возрастает. Таким образом, с позиции II закона термо­динамики стабилизацию третичной структуры белка в водной среде обеспечивает стремление водного окружения молекулы белка перейти в состояние с максимальной энтропией. Пред­ставление о третичной структуре молекул белков миоглобина и лизоцима дает рис. 21.5. На рисунке заштрихованный диск в молекуле миоглобина - это гем, содержащий порфириновый лиганд и комплексообразователь катион Fe 2+ . В молекуле лизо­цима показаны S-S дисульфидные мостики, участвующие в стабилизации третичной структуры этого белка.

Рис. 21.5. Третичные структуры: миоглобина (а) и лизоцима (б)

Третичная структура белка, по сравнению с его вторичной структурой, еще более чувствительна к внешним воздействиям. Поэтому действие слабых окислителей, смена растворителей, из­менения ионной силы, рН среды и температуры нарушают третич­ную структуру белков, а следовательно, и их нативные свойства.

Четвертичная структура. Крупные молекулы белка с моле­кулярной массой более 60 000 обычно представляют собой агрега­ты, которые состоят из нескольких полипептидных цепей со срав­нительно небольшой молекулярной массой. При этом каждая цепь, сохраняя характерную для нее первичную, вторичную и третич­ную структуру, выступает в роли субъединицы этого агрегата, имеющего более высокий уровень пространственной организа­ции - четвертичную структуру. Такая молекулаагрегат пред­ставляет единое целое и выполняет биологическую функцию, не свойственную отдельно взятым субъединицам. Например, молеку­ла гемоглобина состоит из 4 субъединиц и для нее характерна значительно большая лабильность комплекса с кислородом, чем для отдельных ее субъединиц, что проявляется в свойствах миоглобина (разд. 10.4). Четвертичная структура белка закрепляется в основном за счет водородных связей и вандерваальсовых взаи­модействий, а иногда и дисульфидных связей между объединяе­мыми полипептидными цепями. Молекулярная масса белков с четвертичной структурой может достигать нескольких десятков миллионов. Четвертичная структура белков чувствительна к внеш­ним воздействиям и может ими нарушаться.

Форма белковых молекул. По форме молекулы нативные белки, т. е. проявляющие запрограммированные природой био­логические свойства, делят на фибриллярные и глобулярные. Молекулы фибриллярных белков обычно имеют B-структуру и волокнистое строение; они не растворяются в воде, так как на их поверхности много гидрофобных радикалов. Фибриллярными белками являются фиброны белка; кератин волос, кожи, ногтей; коллаген сухожилий и костной ткани; миозин мышечной ткани.

Глобулярные белки имеют цилиндрическую или сфериче­скую форму и размер 10 -9 -10 -7 м. Они обычно растворяются в воде, так как на их поверхности в основном находятся поляр­ные группы. Растворяясь в воде, глобулярные белки образуют лиофильные коллоидные растворы (разд. 27.3). Примеры гло­булярных белков: альбумин (яичный белок), миоглобин, почти все ферменты.

Жидкокристаллическое состояние. Молекулы белков - дос­таточно крупные образования и имеют фиксированную простран­ственную структуру, которая может быть анизотропна в целом, или могут быть анизотропны отдельные фрагменты пептидной цепи. Поэтому для многих белков характерно жидкокристалли­ческое состояние в определенном температурном интервале (термотропное жидкокристаллическое состояние) или образование одного или нескольких лиотропных жидкокристаллических со стояний с участием водной среды при определенной концентра­ции веществ в растворе. Образование жидкокристаллического состояния или переходы из одного жидкокристаллического со­стояния в другое, сопровождаемые изменением ориентации от­дельных фрагментов молекулы белка или изменением в согласо­ванности движения в системе, не требуют больших энергетиче­ских затрат, но могут привести к изменению его биологических функций. Например, повлиять на сократительную функцию мио­зина мышечных волокон, ферментативную активность, транспорт­ную функцию белков или их защитные свойства относительно коллоидных систем. Так, при определенных условиях молекулы гемоглобина переходят в жидкокристаллическое состояние. Это приводит к ряду патологических нарушений, проявляющихся в потере эластичности эритроцитами. В результате они закупори­вают капилляры, и транспорт кислорода нарушается. Образование камней в моче- или желчевыводящих системах связано с измене­нием не только концентрации, но и состояния защитных белков в этих системах. Способность белков и их растворов переходить в жидкокристаллическое состояние до последнего времени в био­логии, биохимии и медицине практически не рассматривалась, несмотря на чрезвычайную важность этих свойств с позиции жизнедеятельности любых живых систем.

Денатурация. Пространственная структура белков, как уже указывалось, может нарушаться под влиянием ряда факторов: повышение температуры, изменение рН и ионной силы среды, облучение УФ и рентгеновскими лучами, присутствие веществ, способных дегидратировать молекулу белка (этанол, ацетон, мо­чевина) или вступать во взаимодействие с его заместителями (окислители, восстановители, формальдегид, фенол) и даже при сильном механическом перемешивании растворов.

Денатурацией называется разрушение природной (нативной) конформации макромолекулы белка под внешним воздействием.

При денатурации разрушаются четвертичная, третичная и вто­ричная структуры, а первичная структура белка сохраняется. Поэтому денатурация может иметь обратимый (денатурация -ренатурация) и необратимый характер в зависимости от приро­ды белка и интенсивности внешнего воздействия. Необратимая денатурация обычно происходит при тепловом воздействии (на­пример, свертывание яичного альбумина при варке яиц). У денатурированных глобулярных белков уменьшается сродство к воде, так как на поверхности молекул оказывается много гидрофобных радикалов. Поэтому снижается их растворимость, появляются хлопья или осадок. Главное, при денатурации ут­рачивается биологическая активность и глобулярных, и фибриллярных белков, что наблюдается при многих способах их выделения (разд. 11.3). Во избежание денатурации белка и для сохранения его нативной конформации в процессе выделния все операции проводят в мягких условиях при температуре не выше 5°С, избегая резких воздействий химических реагентов.

Поверхностные свойства белков. Молекулы белков содержат разные ос-аминокислоты, имеющие и гидрофобные радикалы на основе алифатических и ароматических углеводородов, и гидро­фильные радикалы, включая пептидную группировку. Эти ради­калы распределены по всей цепи, и поэтому большинство бел­ков является поверхностно-активными веществами (разд. 26.6). Характерная особенность белковых ПАВ - наличие в их молеку­лах фрагментов с резко различным гидрофильно-липофильным балансом, что делает их эффективными стабилизаторами для лиофобных дисперсных систем, эмульгаторами жиров и холесте­рина и активными компонентами биологических мембран.

Благодаря поверхностно-активным свойствам некоторые белки образуют лиофильные мицеллы (разд. 27.3) с липидами (включая холестерин и его эфиры), называемые липопротеинами. В липопротеинах между молекулами белков и липидов нет ковалентных связей, а есть только межмолекулярные взаи­модействия. Внешняя поверхность липопротеиновой мицеллы состоит из гидрофильных фрагментов белков и молекул фосфо-липидов, а ее внутренняя часть (ядро) представляет собой гид­рофобную среду, в которой растворены жиры, холестерин и его эфиры (рис. 21.6). Наличие в липопротеинах внешней гидро­фильной оболочки делает эти богатые липидами мицеллы "рас­творимыми" в воде и хорошо приспособленными для транспор­та жиров из тонкого кишечника в жировые депо и в различные ткани. Диаметр липопротеиновых мицелл составляет от 7 до 1000 нм.

В зависимости от плотности, размеров мицелл и соотношения в них белка и липидов липопротеины подразделяют на 4 класса (табл. 21.2).

Рис. 21.6. Мицелла липопротеина

Роль хиломикронов и липопротеинов очень низкой плотно­сти заключается в транспорте жиров и их гидролизе под дейст­вием липопротеинлипазы. По мере расщепления жиров происходит превращение:

Р-Липопротеины в основном транспортируют холестерин в клет­ки, а а-липопротеины выводят из клеток избыток холестерина.

При изучении липопротеинового состава сыворотки крови ус­тановлено, что чем больше отношение B-липопротеины/а-липо-протеины, тем больше опасность обильных отложений холесте­рина на внутренней поверхности кровеносных сосудов, т. е. атеросклероза. Атеросклероз способствует развитию инсульта или инфаркта миокарда за счет ограничения кровотока через суженные сосуды мозга или сердца.

Поверхностные свойства белков, характеризующие их спо­собность к межмолекулярным взаимодействиям, лежат в основе взаимодействия фермента с субстратом (разд. 5.6), антитела с антигеном и объясняют различные взаимодействия, называе­мые в биологии специфической комплементарностью (теория "ключа и замка"). Во всех этих случаях имеет место строгое соответствие между поверхностной структурой и свойствами взаи­модействующих частиц, которые обеспечивают высокую эффективность различных видов межмолекулярных взаимодейст­вий между ними (рис. 21.3). В биологии это часто упрощенно отражают, используя графическое соответствие форм и разме­ров взаимодействующих частиц (рис. 21.7).

Информационные свойства белков. Молекулы белков и отдель­ные их фрагменты рассматриваются как носители биологической

Рис. 21.7. Графическая интерпретация соответствия межмолекуляр­ных взаимодействий между белковыми частицами, описываемых специфической комплементарностью или теорией "ключа и замка"

информации, в которой роль букв алфавита играют 20 амино­кислотных остатков. В основе считывания этой информации на­ходятся различные виды межмолекулярных взаимодействий и стремление системы использовать их эффективно. Например, в ферментах вблизи активного центра часть белковой молекулы содержит определенные аминокислотные остатки, заместители которых сориентированы в пространстве так, чтобы происходило узнавание строго определенного субстрата, с которым реагирует данный фермент. Аналогично протекает взаимодействие анти­тело - антиген или происходит синтез в организме соответст­вующего антитела на появившийся антиген. Информационные свойства белков лежат в основе иммунитета, представляющего собой целостную систему биологических механизмов самозащиты организма, в основе которых лежат информационные процессы распознавания "свой" и "чужой". "Аминокислотный язык", содержащий 20 единиц, является одним из наиболее оптималь­ных и надежных способов кодирования важной информации для жизнедеятельности живых систем, включающей сведения о форме отдельных органов и организма в целом.

Кислотно-основные свойства. Белки, как и а-аминокислоты (разд. 8.2), являются полиамфолитами, проявляя кислотные свой­ства за счет неионизованных карбоксильных групп -СООН, аммо­нийных групп тиольных групп -SH, а также n-гидрокси-

фенильных групп Основные свойства белки проявляют за счет групп - СОО-, аминогрупп - NH 2 , а также замес­тителей имидазола -C 3 H 3 N 2 и гуанидина -(CH 5 N 3) + . В водных растворах в зависимости от рН среды белки могут находиться при рН = рI белка в молекулярной, т. е. нейтральной форме, имеющей биполярно-ионное строение, при рН < рI белка появля­ется катионная форма, и при рН > рI белка появляется анион­ная форма, в основном за счет ионизации заместителей (-RH).

В сильнокислой среде происходит протонирование ионизо­ванной карбоксильной группы белка, а в сильнощелочной сре­де - депротонирование концевой аммонийной группы. Однако в биологических средах, для которых не характерны такие край­ние значения рН, подобных превращений с белковыми молеку­лами не происходит. Кислотно-основные превращения в моле­кулах белков, естественно, сопровождаются изменением их конформации, а следовательно, биологические и физиологические функции катиона или аниона белков будут отличаться не толь­ко друг от друга, но и от функций их молекул.

В зависимости от аминокислотного состава белки подразде­ляются на "нейтральные" (рI = 5,0 - 7,0), "кислотные" (рI < 4,0) и "основные", или "щелочные" (рI > 7,5) (табл. 21.3). В кислотных белках повышенное содержание аспарагиновой или глутаминовой кислот, а в "основных" - аргинина, лизина или гистидина. На основе белков в организме действуют белковые буферные сис­темы (разд. 8.4).

Различие в кислотно-основных свойствах белков лежит в осно­ве разделения и анализа белковых смесей методами электрофореза и ионообменной хроматографии. В постоянном электрическом по­ле белки обладают электрофоретической подвижностью, причем направление их движения к катоду или аноду зависит от значения рН раствора и рI белка. При рН < рI белок частично находится в форме катиона и перемещается к катоду. При рН > рI белок пере­мещается к аноду, поскольку частично находится в форме аниона. При рН = рI белок полностью находится в молекулярной форме и под действием электрического поля не перемещается. Электрофо-ретическая подвижность иона белка зависит от его размера и заряда, а также от рН раствора. Подвижность иона будет тем больше, чем больше разница между рН раствора и рI белка. Анализ белка с помощью электрофореза широко применяется в клинической биохимии для диагностики заболеваний.

Комплексообразующие свойства. Белки - активные полидентатные лиганды (разд. 10.1), особенно содержащие мягкие функциональные группы: тиольную, имидазольную, гуанидиновую, аминогруппу:

Вследствие наличия в молекулах белков различных функцио­нальных групп они образуют комплексные соединения разной устойчивости в зависимости от поляризуемости иона комплексо-образователя. С малополяризуемыми (жесткими) катионами К + и Na + белки образуют малоустойчивые комплексы, которые в ор­ганизме выполняют роль ионофоров для катионов или активато­ров белков как субстратов для тех или иных биохимических процессов. С менее жесткими катионами Mg 2+ или Са 2+ белки образуют достаточно прочные комплексы. С катионами d-металлов: железа, меди, марганца, цинка, кобальта, молибдена ("ме­таллы жизни"), достаточно поляризуемыми, т. е. мягкими, бел­ки образуют прочные комплексы. Однако особенно прочные ком­плексы они образуют с катионами металлов-токсикантов: свинца, кадмия, ртути и другими, проявляющими высокую поляризуе­мость, т. е. очень мягкими. Прочные комплексы белков с катио­нами металлов часто называют металлопротеинами.

Множество ферментов представляют собой хелатные ком­плексы белка с катионом какого -либо "металла жизни". При этом именно катион комплексообразователя под влиянием белкалиганда является активным центром фермента, а фрагмент белко­вой молекулы вблизи этого центра обычно выполняет роль опо-знавателя и активатора субстрата. Белковый компонент метал-лофермента часто называют апоферментом.

Все белки при обработке солями меди в щелочной среде об­разуют хелатный комплекс фиолетового цвета, что является ка­чественной реакцией на белки, которая называется биуретовой реакцией:

Эта реакция происходит путем депротонирования пептид­ных групп белка, чему способствуют щелочная среда и наличие в ней иона комплексообразователя.

Электрофильно-нуклеофильные реакции. К этим реакциям прежде всего относится гидролиз белков - основной путь их катаболизма (распада) в организме. При гидролизе белка реагент -молекула воды - выступает и как нуклеофил за счет ОН", и как электрофил за счет Н + . Нуклеофильная частица ОН" атакует электрофильный центр пептидной связи, т. е. углеродный атом карбонильной группы, а нуклеофильный центр этой связи - атом азота - атакуется электрофилом - протоном. В результате атаки молекулами воды пептидные связи в белках разрываются, и об­разуются вначале осаминокислоты и пептиды, а конечными продуктами являются ос-аминокислоты.

Гидролитический распад белков протекает в любой клетке организма, точнее, в ее липосомах, где сосредоточены гидроли­тические ферменты. Гидролиз белков может быть частичным (до пептидов) и полным (до аминокислот). Частичный гидролиз ускоряется протеиназами, которые способствуют образованию пептидов. Полученные пептиды гидролизуются до аминокислот при участии пептидаз. В организме гидролиз белков осуществляется в основном целым набором ферментов, каждый из кото­рых расщепляет ту пептидную связь, которая образована опреде­ленными аминокислотами. Так, карбоксипептидаза специфиче­ски отщепляет от белков С-концевую аминокислоту, трипсин гидролизует пептидную связь между аминокислотами с непо­лярным (гидрофобным) заместителем. Химотрипсин расщепля­ет пептидную связь, образованную фенилал анином, тирозином, триптофаном с другими аминокислотами. В организме пищевые белки расщепляются полностью, поскольку для жизнедеятель­ности используются в основном свободные ос-аминокислоты.

В лабораторных условиях белки гидролизуются как в кислой, так и в щелочной среде. Однако щелочной гидролиз практически не используется из-за неустойчивости многих осаминокислот в этих условиях. Обычно полный гидролиз проводят при нагревании белка до 110°С в запаянной ампуле с 20 % НС1 в течение 24 ч. В этих условиях гидролиз белка протекает до конца, но образующийся триптофан при этом полностью разлагается. По­этому предпочтение отдают ферментативному гидролизу.

Белки организма, содержащие аспарагиновую и глутамино-вую кислоты, могут выступать акцептором аммиака, который как нуклеофил реагирует по свободным карбоксильным группам заместителя, т. е. происходит реакция амидирования белков:

Реакция амидирования - эндэргоническая, поэтому в орга­низме она сопряжена с реакцией гидролиза АТФ.

В результате этой реакции белок теряет свои нативные свой­ства, так как происходит его необратимая денатурация.

Активные электрофильные реагенты (ЕХ): 2,4-динитрофтор-бензол, фенилизотиоцианат или дансилхлорид - используются для установления первичной структуры белков или пептидов. Они в присутствии оснований реагируют по N-концевой амино­кислоте аниона белка и способствуют ее отщеплению в виде со­ответствующего производного Е-NH-CRH-СООН, легко иден­тифицируемого или хроматографически, или спектрально:

Оставшаяся часть белка при этом не разрушается, а операции по отщеплению следующей аминокислоты можно повторять. Эти реакции лежат в основе работы автоматического анализатора первичной структуры белков. Обычно анализируемый белок вначале подвергают частичному гидролизу с получением нескольких пептидов. Полученные пептиды разделяют, очищают, и в каждом определяется последовательность аминокислот, а затем составляется первичная структура анализируемого белка.

Окислительно-восстановительные свойства. Белки относи­тельно устойчивы к мягкому окислению, за исключением со­держащих аминокислоту цистеин, так как тиольная группа по­следней легко окисляется в дисульфидную группу, причем про­цесс может носить обратимый характер:

В результате этих превращений происходит изменение конформации белка и его нативных свойств. Поэтому серосодержа­щие белки чувствительны к свободнорадикальному окислению или восстановлению, что происходит при воздействии на организм радиации или токсичных форм кислорода (разд. 9.3.9).

Тиол-дисульфидные превращения белка кератина лежат в основе химической завивки волос, так как цистеин и цистин входят в его состав. Сначала волосы обрабатывают восстанови­телем, чтобы разрушить связи -S-S- цистина и превратить в тиольные группы цистеина. Затем волосы укладывают в локо­ны (завивают) и обрабатывают окислителем. При этом образу­ются дисульфидные связи цистина, которые помогают волосам сохранить их новую форму.

При более жестком окислении тиольная группа белков окис­ляется в сульфогруппу практически необратимо:

Жесткое окисление белков до СО2, H2O и аммонийных солей используется организмом для устранения ненужных белков и по­полнения своих энергетических ресурсов (16,5 - 17,2 кДж/г).

В организме белки, содержащие остатки лизина, пролина, фе-нилаланина и триптофана, подвергаются ферментативному гидроксилированию (монооксигеназное окисление) при участии ки­слорода и восстановленной формы кофермента:

В результате реакции гидроксилирования усиливаются гид­рофильные свойства белка и его способность к образованию водо­родных связей. Это имеет место у тропоколлагена, у которого три цепи объединяются в устойчивую суперспираль за счет водород­ных связей, в образовании которых участвуют и гидроксипролиновые остатки.

Подобная реакция происходит в молекуле тропоколлагена, что приводит к еще более прочной "сшивке" его пептидных цепей.

Окислительное дезаминирование белков под действием нингидрина, сопровождаемое образованием синего окрашивания, -характерная качественная реакция на белки - нингидриновая реакция (см. разд. 21.2.4).

Для обнаружения белков, содержащих ароматические и гете­роциклические аминокислоты, используется ксантопротеиновая реакция, которая при действии концентрированной азотной ки­слоты сопровождается появлением желтого окрашивания, пере­ходящего при добавлении щелочи или аммиака в оранжевое:

Именно в результате ксантопротеиновой реакции наблюда­ется желтое окрашивание кожи при попадании на нее концен­трированной азотной кислоты.

Таким образом, для белков характерны: определенная конформация, жидкокристаллическое состояние, поверхностно-активные и информационные свойства, а также все четыре вида химиче­ских реакций: кислотно-основные, комплексообразующие, электрофильно-нуклеофильные и окислительно-восстановительные, лежащие в основе жизнедеятельности любых живых систем. Совокупность всех этих свойств объясняет уникальность белков для всего живого мира.