Строение белковой молекулы. Уровни структурной организации белковой молекулы или структура белка В процессе функционирования белковые молекулы

Курс «Молекулярные основы процессов жизнедеятельности»

УЧЕБНЫЙ ПЛАН КУРСА

Лекция № 4. Механизмы функционирования белков

На прошлой лекции мы рассмотрели взаимодействия, определяющие пространственную структуру белковой молекулы. Однако не все группы белка, способные вступать в такие взаимодействия, могут найти себе партнера в пределах белковой молекулы. В водных растворах эти группы обычно вступают во взаимодействия с молекулами растворителя, а заряженные группы – с растворенными в воде ионами солей. В живой клетке белковые молекулы часто образуют слабые связи с молекулами других органических веществ, в том числе и белков.

Поскольку в молекуле белка много групп, способных вступать в нековалентные взаимодействия, такая молекула может связаться с большим числом других молекул или образовать многочисленные связи с одной из молекул. Если количество взаимодействующих групп у двух таких молекул невелико, образуются непрочные комплексы, которые могут легко разрушаться, например, под действием теплового движения молекул. Если же между молекулой белка и другой молекулой образуется достаточно большое число водородных связей и много участков связано электростатическими, вандерваальсовыми и гидрофобными взаимодействиями, то начинает сказываться кооперативный эффект, т.е. прочность комплекса становится намного больше, чем следует из простого суммирования энергии образовавшихся связей.

Это возможно в том случае, если во взаимодействующих молекулах реагирующие группы расположены строго определенным образом: против отрицательно заряженных групп одной молекулы находятся положительно заряженные группы другой и наоборот, группы, образующие водородные связи, сближены и правильно ориентированы, гидрофобные участки обеих молекул находятся друг против друга. Можно сказать, что поверхности взаимодействующих молекул имеют комплементарную структуру. Такие пары молекула белка может образовать лишь с молекулами строго определенных веществ, а это значит, что взаимодействия молекулы белка с другими веществами строго специфичны и определяются его пространственной структурой.

Белок может образовывать комплексы с высокомолекулярными соединениями и формировать надмолекулярные комплексы, являющиеся основой различных клеточных и межклеточных структур. Примерами таких структур являются, например, рибосомы и микротрубочки. Первые представляют собой комплекс специфических рибосомных белков и РНК, а вторые – комплекс многочисленных молекул белка тубулина, плотно примыкающих друг к другу и расположенных по спирали, при этом сами молекулы тубулина являются глобулярными.

За счет взаимодействия между белковыми молекулами образуются волокна таких белков, как актин и коллаген (рис. 1). За счет менее специфичных, но многочисленных гидрофобных взаимодействий происходит связывание белков с мембранами. Несколько десятков молекул белков, образующих разветвленный комплекс с многочисленными молекулами кислых полисахаридов трех разных видов, являются структурной основой прочности хрящевой ткани животных.

Таких примеров можно приводить очень много. Для нас важно, что за счет образования прочных специфических комплексов с различными полимерами белки выполняют структурную функцию, обеспечивая пространственную организацию живых систем. Устойчивость таких структур обусловлена прочностью образующих их комплексов, а прочность комплексов, в свою очередь, – специфическим многоцентровым связыванием их компонентов.

Надо сказать, что образование таких специфических прочных комплексов характерно не только для белков. Например, за счет образования большого числа водородных связей расположенные параллельно молекулы целлюлозы образуют прочные пучки – мицеллы, являющиеся основой клеточной стенки растений. К образованию прочных комплексов способны и некоторые другие полисахариды. Однако для белков характерно гораздо большее многообразие формируемых структур, что является основой клеточной, тканевой и видовой специфичности.

Узнавание белками, расположенными на поверхности клетки, специфических белковых или небелковых компонентов, расположенных на поверхностях других клеток, является основой межклеточного узнавания, приводящего к образованию тканей и органов и лежащего в основе тканевой дифференцировки и развития многоклеточных организмов.

Однако белковые молекулы могут взаимодействовать не только с высокомолекулярными соединениями. Небольшие органические молекулы могут связываться с белковой молекулой с достаточно высокой специфичностью, но такие комплексы менее прочны, т.к. число образующихся слабых взаимодействий намного меньше, чем в случае макромолекул (рис. 2).

При связывании с белками малые молекулы могут деформироваться. Это ослабляет химические связи и облегчает их разрыв и образование новых связей. Кроме того, белок может связывать две и более малые молекулы, сближать их и определенным образом ориентировать друг относительно друга. Это облегчает реакции между связанными молекулами и приводит к их значительному ускорению. Такие белки являются эффективными катализаторами и называются ферментами .

Ферменты – наиболее многочисленная группа белков. Все реакции, протекающие в живых организмах, катализируются ферментами, которых в настоящее время известно несколько тысяч. Даже такие простые организмы, как бактерии, содержат более 2 тыс. различных ферментов. Набор ферментов, имеющийся у данного организма, определяет его биосинтетические возможности. Без участия ферментов биохимические реакции шли бы с ничтожными скоростями, и продукты реакции не могли бы образовываться в нужных количествах.

Ферменты отличаются высокой эффективностью, они ускоряют реакции в миллионы и миллиарды раз. Кроме того, для ферментов характерна высокая специфичность. Как правило, один фермент ускоряет превращение одного определенного вещества в другое, строго определенное, вещество. Благодаря этому в клетке не образуется побочных продуктов реакций, что характерно для большинства химических реакций.

Для многих ферментов характерна регуляция их активности различными факторами, например определенными веществами. Это позволяет клетке не образовывать избыточные количества веществ. Если количество какого-либо вещества превышает необходимый клетке уровень, активность ферментов, участвующих в его синтезе, подавляется, а когда содержание этого вещества в клетке снижается, активность ферментов вновь восстанавливается.

Еще одним свойством многих ферментов является способность сопрягать две химические реакции. При этом одна реакция идет с выделением энергии, а другая – с поглощением. Сопряжение реакций позволяет осуществить вторую реакцию за счет энергии, выделяющейся при протекании первой так, что суммарный процесс остается энергетически выгодным. С помощью таких ферментов живые организмы осуществляют большинство реакций синтеза сложных молекул, в частности полимеров.

При связывании малых молекул с белками может изменяться не только конформация малых молекул, но и конформация белковой молекулы. В некоторых случаях конформационные изменения белка могут быть очень заметными, и он приобретает новые свойства, например может связываться с молекулами других белков и нуклеиновых кислот. Такие белки при появлении определенных веществ вызывают изменения активности ферментов или работы генов – так клетки реагируют на химические сигналы.

Белки, изменяющие свои свойства при связывании гормонов, называются рецепторами . Они расположены обычно на наружной стороне клеточной мембраны и передают сигнал внутрь клетки. Кроме гормонов сигналами могут быть питательные вещества, молекулы, концентрация которых связана с общим состоянием клетки, например АТФ и т.п. Белки, связавшись с сигнальными молекулами, могут приобрести сродство к определенным последовательностям нуклеотидов в ДНК. Такие белки являются репрессорами или активаторами генов.

Изменение конформации белка при связывании низкомолекулярных веществ обычно обратимо, но в некоторых случаях переход белка из одного состояние в другое связан с изменением низкомолекулярного вещества. Чаще всего таким веществом является АТФ. Одна конформация белка переходит в другую после того, как происходит гидролиз АТФ и белок оказывается связанным с АДФ. Дальнейшая диссоциация АДФ и связывание новой молекулы АТФ возвращает белок в исходное состояние.

На таком принципе основана работа двух групп белков. Первая – транспортные АТФазы. Эти белки встроены в мембраны. Они связывают молекулы или ионы с одной стороны мембраны и за счет гидролиза АТФ переносят их на другую сторону. Таким образом в клетку поступают необходимые ей вещества и ненужные – выводятся из клетки. Такой процесс называется активным транспортом . Перенос веществ происходит также между цитоплазмой и клеточными органеллами. В результате каждая часть клетки имеет свой специфический состав и осуществляет свойственные ей процессы. Вторая группа белков, изменяющих конформацию при гидролизе АТФ, – двигательные белки. Эти белки довольно многообразны, но в основе их действия лежат сходные процессы.

Два типа белков образуют два типа комплексов – с АТФ и с АДФ или без нуклеотида. Переход из одного состояния в другое осуществляется после гидролиза АТФ, а обратный переход – после диссоциации АДФ и присоединения АТФ. Сам переход вызывает изменение положения белков друг относительно друга, что и приводит к механическому движению.

Одним из типов двигательных белков являются «шагающие» белки. Такой белок имеет два участка связывания с протяженной белковой структурой, например с микротрубочкой. Один участок прочно связывается в присутствии АТФ, а другой в ее отсутствие. Если АТФ нет, белок прикреплен к микротрубочке вторым участком. Связывание АТФ приводит к тому, что с микротрубочкой связывается на некотором расстоянии и первый участок. Гидролиз АТФ приводит к изменению конформации белка и сближению участков связывания. При этом второй участок подтягивается к первому. Затем, после диссоциации АДФ, первый участок отделяется от микротрубочки, а после присоединения АТФ свяжется снова, но уже продвинувшись на определенное расстояние (рис. 3).

Другая группа двигательных систем состоит из двух белковых нитей, соединенных белком, связывающим и гидролизующим АТФ. В мышцах это волокна актина, связанные с миозином, в жгутиках и ресничках эукариот – пары микротрубочек, связанных белком динеином. Гидролиз АТФ приводит к изменению конформации миозина или динеина, в результате чего происходит сдвиг нитей друг относительно друга. Диссоциация АДФ и присоединение новой молекулы АТФ приводит к возвращению в исходное состояние. Таким образом эти системы осуществляют возвратно-поступательное движение, такое как мышечное сокращение или изгибание жгутика. В отличие от первого типа, сам белок, гидролизующий АТФ, при этом не перемещается.

Таким образом, за счет способности белков к многочисленным слабым взаимодействиям с определенными молекулами осуществляются все важнейшие процессы жизнедеятельности – образование специфических структур, создание необходимых веществ, передача сигналов и регуляция процессов, транспорт веществ и создание определенной внутренней среды, механическое передвижение.

Вопросы и задания для самостоятельной работы

1. За счет каких взаимодействий молекула белка может связать молекулу глюкозы?
2. Какие группы молекулы белка могут участвовать в связывании молекула аланина?
3. Если фермент осуществляет соединение двух молеклу за счет энергии гидролиза АТФ, сколько участков связывания для малых молекул он должен иметь?
4. Какие полимерные молекулы могут образовывать комплексы с молекулами белков? Какие связи будут при этом образовываться?
5. Один и тот же гормон вызывает разный ответ в клетках различных тканей. Чем это может быть обусловлено?

Литература

1. Альбертс Б., Брей Д. и др. Молекулярная биология клетки. Гл. 3. – М.: Мир, 1986.
2. Ленинджер А. Биохимия. Гл. 9. – М.: Мир, 1985.

АК являются мономерными структурными единицами белковой молекулы из которых сложена полипептидная цепь. АК могут находиться в двух стерических формах: L- и D-. Эти формы зеркально симметричны. В них массивный боковой радикал R и Н-атом, стоящие при α-углероде меняются местами. Этих форм нет только у глицина, боковая цепь которого состоит из Н-атома. Боковые цепи сложены из остатков L- аминокислот, только они кодируются генами. D-остатки не кодируются при матричном синтезе белка, а синтезируются специальными ферментами. Рецемизация (переход L- в D-) при биосинтезе, а также спонтанно в белках практически не происходит, но часто встречается при химическом синтезе пептидов.

Белковая молекула характеризуется наличием прочных ковалентных и относительно слабых нековалентных связей . Такое сочетание ковалентных и нековалентных связей обеспечивает белковой молекуле определенную прочность и динамичность в процессе функ­ционирования (рис.1).

а – электроста­тическое взаимодействие; б – водородные связи; в – взаимодействие неполярных боковых цепей, вызванное выталкиванием гидрофобных радикалов в «сухую» зону молекулами растворителя; г – дисульфидные связи (двойная изогнутая линия обозначает хребет полипептид­ной связи).

Рисунок 1 – Типы связей в белковой молекуле (по Филипповичу).

Ковалентные связи в молекуле белка могут быть двух типов – пеп­тидные и дисульфидные. АК в белковой цепи связаны между собой пептидными связями С и N атомов. Пептидная, или кислотноамидная связь (-СО-NH- ), является типичной ковалентной связью. Пептид­ная связь возникает при взаимодействии карбоксильной группы одной АК и аминогруппы другой. Свободные амино- и карбоксильные группы образованного дипептида способны вновь вступать в реакцию поликонденсации с новыми молекулами АК, с образованием высокомолекулярного соединения. Таким образом, с помощью пептидной связи аминокислотные остатки соединяются друг с другом, образуя регулярный остов белковой молекулы, от которого отходят разнообразные боковые группы (R 1 …R М). Число звеньев боковой цепи (М) кодируется геном и составляет от нескольких десятков до многих тысяч. В процес­се биосинтеза белка происходит соединение остатков отдельных амино­кислот друг с другом в линейную последовательность:

NH-CH-CO-NH-CH-CO- …-NH-CH-CO-

Соединения, которые об­разуются в результате кон­денсации нескольких АК, получили название пептидов (ди-, три-, тетрапептиды и т. д.). В состав пептидов могут входить не только протеиногенные, но и непротеиногенные АК. Пептиды играют важную роль промежуточных продуктов в обмене веществ, и многие из них яв­ляются физиологически очень активными соеди­нениями. Пептидами являются некоторые антибио­тики (грамицидин, лихениформин), гормоны (ин­сулин, окситацин, вазопрессин), токсины (аманитины). Пептиды могут представлять собой замкнутую полипептидную цепочку, т. е. являться циклопептидами, а некоторые даже имеют би­циклическое строение. Среди циклопептидов есть сильно токсичные вещества (ядовитый гриб бледная по­ганка (Amanita phalloides ).

Названия пептидов определяются наименованиями входящих в его состав АК, перечисляемых последовательно, начиная с N-конца, причем суффикс -ин- в названиях всех АК, за исклю­чением С-концевой, имеющей свободную СООН-группу (карбоксильную), заменяется на суффикс -ил. Например, если в образовании три пептида принимают участие две молекулы аланина и одна молекула глицина, трипептид называют аланилаланилглицином или алаалагли. Сокращенно амино­кислоты обозначают трехбуквенными символами (таблица 1).

Таблица 1 – Сокращенные обозначения аминокислот

Важную роль в стабилизации пространственной структуры белковой молекулы играют ковалентные дисульфидные связи(-S-S- ), которые образуются в результате окис­ления сульфгидрильных групп остатков цистеина. Дисульфидные связи могут образовываться между остатками цис­теина двух полипептидных цепей или двумя остатками цистеина одной полипептидной цепи, стабилизируя при этом определенную конформацию белковой молекулы. В стабилизации конформации белковой молекулы существенную роль играют нековалентные связи и взаимодействия. К ним относятся гидрофобные, электростатические, ионные взаимодействия, а также водородные связи. Они поддерживают пространственное строение белка значительно слабее химических связей, фиксирующих последовательность мономеров (АК) в белковой цепи.

Гидрофобное взаимодействие возникает при сбли­жении гидрофобных углеводородных и ароматических радикалов не­которых аминокислот (аланина, валина, лейцина, изолейцина, фенилаланина и триптофана). Процесс гидрофобного взаимодействия можно представить как перемещение неполярных групп полипептидной цепи (метильной -СН 3 , этильной -С 2 Н 5 , фенильной -С 6 Н 6) из воды в гидрофобные области, образуемые за счет ассоциации этих групп. Вследствие такого перемещения неполярные группы сказываются в непосредственной близости друг от друга во внутренней части молеку­лы, а гидрофильные группы размещаются на поверхности и контакти­руют с водой.

Водородные связи образуются между атомами водорода, ковалентно соединенными с атомом, содержащим неподеленную электронную пару, или другим электроотрицательным атомом. В биологических структурах водородная связь чаще всего обра­зуется за счет атома водорода, связанного с кислородом или азотом. Водородные связи могут быть внутри- и межцепочечными. Внутрицепочечные водородные связи стабилизи­руют α-спиральные, а межцепочечные – β-складчатые структуры.

Ионные (солевые) связи. Они, предположительно, образуются между диссоциированными свободными карбоксильными группами (СОО -) моноаминодикарбоновых аминокислот (глутаминовой и аспарагиновой) и протонированными свободными аминогруппами (NH 3 +) диамино-монокарбоновых аминокислот. Ионные связи могут быть внутри- и межцепочечными.

Уровни структурной организации молекулы белка. Функциональ­ные свойства белков определяются последовательностью АК и их пространст­венной структурой. С этой точки зрения выделяют четыре уровня : первичная, вторичная, третичная и четвертичная структуры.

Подпервичной структурой понимают качественный и количественный состав АК, а также их последовательность расположения в полипептидных цепях белковой молекулы. Молекула белка может иметь одну или несколько полипептидных цепей. Например, молекула фермента рибонуклеазы представляет одну поли­пептидную цепь, имеющую восемь остатков цистеина, образующих четыре внутримолеку­лярные дисульфидные связи. Гормон инсулин состоит из двух поли­пептидных цепей, связанных дисульфидными мостиками между остат­ками цистеина.

Вторичная структура показывает пространственную конфигура­цию белковой молекулы. Выделяют три типа вторичной структуры: α-спиральная, β-складчатая и коллагеновая спираль.

В стабилизации вторичной структуры важную роль играют водород­ные связи , которые возникают между атомом водорода, соединенным с электроотрицательным атомом азота одной пептидной связи, и кар­бонильным атомом кислорода четвертой по счету от нее аминокислоты, и направлены они вдоль оси спирали. Энергетические расчеты показы­вают, что более эффективна правая α-спираль (рис. 2). Фибриллярные α-кератины (шерсть, кожа, перья) состоят из не­скольких полипептидных цепей, имеющих правую α-спиральную кон­фигурацию, и образуют прочные суперспирали, выполняющие меха­нические функции.

Рисунок 2 – α-спиральная кон­фигурация структуры белка

Другой тип вторичной структуры белка, получил название β-складчатой структуры или β-складчатого слоя. На рис. 3 показана модель такой структуры (а – вид сбоку, б – вид сверху). Точками на рисунке показаны меж­цепочечные водород-

Рисунок 3 – β-складчатая кон­фигурация структуры белка

ные связи. При таком пространственном располо­жении образуется система па­раллельно и антипараллельно размещенных фрагментов одной или нескольких полипептидных цепей. Полипептидные цепи в раскладках полностью вытянуты. Складки появляются из-за того, что плоскости двух соседних пептидных связей образуют некоторый угол. Система стабилизируется благодаря поперечным водородным связям между це­пями, расположенными перпендикулярно по отношению к ориентации полипептидных связей. Расстояние между цепями составляет 0,95 нм, а период идентичности вдоль цепи – 0,70 нм для параллельных цепей и 0,65 нм для антипараллельных. Указанная структура характерна для фибриллярных белков (β-кератин, фиброин и др.). В частности, β-кератин характеризуется параллельным расположением полипептидных цепей, которые дополнительно стабилизируются межцепочечными S-S-связями. В фиброине шелка соседние полипептидные цепи антипараллельны.

Третий тип вторичной структуры - коллагеновая спираль . Она состоит из трех спирализованных цепей, имеющих форму стержня диаметром 1,5 нм и длиной около 300 нм. Спирализованные цепи закручиваются одна вокруг другой и образуют суперспираль. Расстояние между двумя АК остатками по оси спирали составляет 0,29 нм, а на один виток спирали приходится 3,3 остатка. Коллагеновая спираль стабилизируется водородными связями, возни­кающими между водородом пептидных NH-групп остатков АК одной цепи и кислородом СО-групп АК остатков дру­гой цепи. Такая структура придает белку высокую упругость и прочность.

Третичная структура. Большинство белков в нативном состоянии имеют весьма компактную структуру, которая определяется размером, формой, полярностью АК радикалов, а также последова­тельностью АК (рис. 4). Образование нативной глобулярной структуры является многокомпонентным процессом, основанным на различных типах нековалентных взаимодействий. Превращение развернутой полипептидной цепи в компактную моле­кулу сопровождается гидрофобными взаимодействиями углеводород­ных радикалов таких АК, как лейцин, изолейцин, фенилаланин, триптофан, достаточно удаленных друг от друга в полипептидной цепи. Почти все неполярные или гидрофобные радикалы этих АК располагаются внутри глобулы и обеспечивают устойчивость ее структуры. Полярные или ионогенные радикалы (особенно аспарагиновой и глутаминовой кислот, аргинина и лизина) располагаются на внешней поверхности молекулы и находятся в гидратированном состоя­нии. В местах сгибов полипептидной цепи локализованы остатки таких АК, как пролин, изолейцин и серии, которые не способны образовывать α-спиральные структуры. Таким образом, между после­довательностью АК в белке и его конформацией существует тесная взаимосвязь. Различия в аминокислотном составе и в последова­тельности отдельных АК остатков обусловливают возникновение в полипептидной цепи локальных неустойчивых точек, в ко­торых стабильность α-спирали нарушена и под действием разнообраз­ных молекулярных сил могут создаваться изгибы.

Рисунок 4 – Третичная структура белка

Существенное влияние на процесс формирования нативной конформации белка или его третичной структуры оказывают гидрофобные и ионогенные взаимодействия, водородные связи и др. Под действием этих сил достигается термодинамически целесообразная конформация белковой молекулы и ее стабилизация. После завершения процесса свертывания полипептидной цепи важную роль в стабилизации ее конформации играют ковалентные дисульфидные связи.

В настоящее время расшифрована третичная структура миоглобина, гемоглобина, РНК-азы, лизоцима, химотрипсина, карбоксипептидазы и других белков.

Под четвертичной структурой подразумевается характерный способ объединения и расположения в пространстве отдель­ных полипептидных цепей, составляющих одну функционально инди­видуальную молекулу. По составу и сложности первичной, вторичной и третичной структуры субъединицы могут сильно отличаться. Напри­мер, молекула гемоглобина состоит из четырех субъединиц, которые объединены в мультимер с молекулярной массой 60000-70000, РНК-полимераза из Е. coli имеет пять субъединиц, а белок ви­руса табачной мозаики содержит несколько тысяч одинаковых субъ­единиц с молекулярной массой около 17500 каждая. В формировании четвертичной структуры принимают участие водородные связи, элек­тростатические, Ван-дер-Ваальсовы и гидрофобные взаимодействия.

Для четвертичной структуры одних белков характерно глобулярное расположение субъединиц (гемоглобин), другие белки объединяются в спиральные четвертичные структуры по типу винтовой симметрии (вирус табачной мозаики). Четвертичная структура установлена для гемоглобина, вируса та­бачной мозаики, РНК-полимеразы, лактатдегидрогеназы, каталазы, аспартат-карбомоилазы и др.

Первичная структура - последовательность соединения аминокислот в полипептидной цепи. В белковой молекуле при чередовании жестких (пептидная связь) и гибких (α -углеродный атом) участков формируется компактная укладка цепи в пространстве.

Метод Акобори заключается в использовании фенилгидразина . Фенилгидразин разрывает пептидные связи в белке и присоединяется ко всем аминокислотам, кроме C-концевой. Последующий хроматографический анализ позволяет распознать С - концевую аминокислоту в составе белка.

Исследование первичной структуры имеет важное общебиологическое и медицинское значение:

1. первичная структура является определяющей для последующих структур белка.
2. знание первичной структуры белка необходимо для искусственного синтеза белков.
3. первичная структура определяет видовую специфичность, например, в белке инсулине, обычно в середине молекулы у различных видов животных и человека происходит замена, как правило, 3-х равноценных аминокислот.
4. изменения в первичной структуре могут приводить ко многим болезням, например, к серповидно клеточной анемии, при которой в гемоглобине в β - цепи в 6 положении глютаминовая кислот заменяется на валин. Эта замена на неравноценную аминокислоту приводит к нарушению функции гемоглобина и появлению серповидной формы эритроцитов.

Вторичная структура - регулярно повторяющаяся форма укладки полипептидной цепи в пространстве. Чаще всего в белках встречается 2 вида вторичной структуры: α - спираль и β - структура.

α - спираль в 1951 году изучена Л. Полингом с помощью рентгеноструктурного метода. Она представляет собой правозакрученную спиральную структуру, в одном витке которой укладывается 3,6 аминокислоты. Шаг спирали (расстояние между соседними витками) составляет 0,54 н.м. α - спираль фиксируется водородными связями, которые замыкаются между пептидными связями, образованными каждой 4-ой аминокислотой. Вторичная α - структура укладывается самопроизвольно и определяется первичной структурой белка. Доля участков, уложенных в спиральную структуру, в различных белках различна. Например, в гемоглобине, миоглобине преобладает α - структурная укладка, которая в 4 раза уменьшает размеры белковой молекулы.

β -структура имеет вид «гармошки» и стабилизируется водородными связями между удалёнными участками одной полипептидной цепи или между несколькими белковыми молекулами. Выделяют параллельные β - структуры, в которых N и С-концы соответствуют друг другу, и антипараллельные структуры. Примером белков, преимущественно содержащих β - структуры, являются иммуноглобулины.

Вторичную структуру изучают методами рентгеноструктурного анализа, исследованием поглощения белком ультрафиолетовых лучей (чем больше доля α - структур, тем больше поглощение).

Вторичная структура разрушается при денатурации.

Третичная структура - с пецифическая для каждого белка форма укладки полипептидной цепи в пространстве. Данная структура формируется самопроизвольно и определяется первичной структурой. Третичная структура значительно, в десятки увеличивает компактность белка. В формировании третичной структуры участвуют нековалентные связи (гидрофобные, ионные) и ковалентные (дисульфидные) связи.

Третичная структура определяет биологическую активность и физико-химические свойства белков . При нарушении третичной структуры белок утрачивает свою биологическую активность.

Методами изучения третичной структуры являются рентгеноструктурный анализ и определение химической активности отдельных радикалов аминокислот в белке. Третичная структура белка миоглобина впервые была изучена Дж. Кендрью (1957 г.). М. Перутцем (1959 г.) была изучена структура гемоглобина.

В третичную структуру белков входят α - спиральные, β - складчатые структуры, β- петли (в них полипептидная цепь изгибается на 180 0) и, так называемый, неупорядоченный клубок. Например, в белке инсулине содержится 57% α - спиральных участков, 6% β- складчатых структур, 10% молекулы уложены в виде β - петлей и 27% молекулы представляют неупорядоченный клубок.

Совокупность первичной, вторичной, третичной составляет конформацию белковой молекулы. Прижизненная (нативная) конформация формируется самопроизвольно и её образование носит название фолдинг. Конформация белков очень неустойчива и формируется при участии особых белков - шаперонов (компаньонов). Шапероны способны связываться с частично денатурированными, находящимися в неустойчивом состоянии белками, и восстанавливать их нативную конформацию. Шапероны классифицируют по молекулярной массе (60 - 100 кд.). Наиболее изучены Ш-60, Ш-70 и Ш-90. Например, Ш-70 взаимодействуют с белками, богатыми гидрофобными радикалами, защищают их от высокотемпературной денатурации. В целом шапероны экранируют основные белки организма, препятствуют денатурации и способствуют формировании конформации, облегчают транспорт денатурированных белков в лизосомы, участвуют в процессе синтеза белков.

По конформации все белки делятся на три группы:

• фибриллярные белки: коллаген, эластин, фиброин.
• Глобулярные белки: гемоглобин, альбумин, глобулин.
• Смешанные белки: миозин.

Третичная структура присуща всем белкам. Четвертичную структуру имеют только олигомерные белки, в составе которых имеется несколько субъединиц, протомеров. Протомером считается отдельная полипептидная цепь, субъединицей - функционально активная часть олигомерного белка. Субъединица может содержать или один протомер, или несколько.

Четвертичная структура - количество и взаимное расположение субъединиц в олигомерных белках. Четвертичную структуру имеют только олигомерные белки, в составе которых имеется несколько субъединиц, протомеров. Протомером считается отдельная полипептидная цепь, субъединицей - функционально активная часть олигомерного белка. Субъединица может содержать один протомер или несколько протомеров.

В формировании четвертичной структуры участвуют непрочные нековалентные связи (гидрофобные, ионные, водородные). Четвертичная структура белков формируются самопроизвольно и легко разрываются при денатурации. Отдельные субъединицы в олигомером белке взаимодействуют друг с другом, что приводит к изменению третичной структуры отдельных протомеров. Это явление называется кооперативными изменениями конформации протомеров и сопровождается, как правило, повышением активности белка.

Олигомерные белки имеют ряд особенностей в сравнении с мономерными белками.

• Имеют очень компактную укладку и относительно небольшая поверхность раздела, поэтому, располагаясь внутриклеточно, они связывают меньше воды
• Активность их регулируется в организме. Протомеры, как правило, неактивны, а олигомерные белки значительно активнее.
• Если в синтезе олигомерного белка участвуют однотипные протомеры, это экономит генетический материал (на коротком участке ДНК «штампуется» несколько одинаковых протомеров)
• Они функционально более приспособлены для условий организма.

Функциональность олигомерных белков иллюстрируется при сравнении белков гемоглобина и миоглобина, участвующих в переносе кислорода в ткани. Гемоглобин эритроцитов - олигомерный белок, включает 4 полипептидные цепи. Миоглобин мышц - мономерный белок, включает 1 полипептидную цепь. Кривая насыщения кислородом у миоглобина свидетельствует о прямой зависимости её от концентрации кислорода. Для гемоглобина кривая насыщения кислородом носит S-образный характер. Это связано с постепенным последовательным изменением структуры (конформации) каждого из 4-х протомеров в составе гемоглобина, в результате которого резко возрастает сродство гемоглобина к кислороду. Такой характер насыщения гемоглобина кислородом резко повышает его кислородную ёмкость по сравнению с миоглобином.

Особое положение среди белков занимают доменные белки .

Домены - структурно и функционально обособленные участки одной полипептидной цепи. Домены могут отвечать за взаимодействие белка с различными веществами - лигандами (низкомолекулярные вещества, ДНК, РНК, полисахариды и др.) Примерами доменных белков служат альбумин сыворотки крови, иммуноглобулины, некоторые ферменты (трипсин поджелудочной железы).

В силу высокой избирательности белков они могут объединяться в комплексы, которые чаще всего называются полиферментные комплексы - это структурные объединения нескольких ферментов, катализирующих отдельные стадии сложного химического процесса. Пример: пируватдегидрогеназный комплекс (ПДК) комплекс трех видов ферментов, катализирующий окисление пировиноградной кислоты (ПВК).

Возможно специфическое соединение не только отдельных белков, но и белков с липидами (жирами) при образовании клеточных мембран, белков с нуклеиновыми кислотами при формировании хроматина.

Физико-химические свойства белков .

Во многом определяются конформацией белковой молекулы (первичная - третичная структура белка). Физико- химические свойства белков проявляются в растворах.

Растворимость белков у различных белков различна.

В целом растворимость белков высока, но различна для разных видов белков. На неё влияют следующие факторы:

• форма белковой молекулы (глобулярные белки растворимы лучше, чем фибриллярные белки)
• характер радикала аминокислоты белка, соотношение полярных неполярных радикалов (чем больше в составе белка полярных гидрофильных радикалов, тем лучше его растворимость)
• свойства растворителя, присутствие солей. Невысокая концентрация солей (KCL, NaCl) иногда повышает растворимость белков. Например, альбумины лучше растворимы в чистой дистиллированной воде, глобулины растворяются только в присутствии 10% солей (KCL, NaCl). Белки соединительной ткани коллаген и эластин не растворимы ни в воде, ни в солевых растворах.

Молекулярная масса белков достаточно велика, находится в пределах от 6000 д. до 1000000 д. Например, молекулярная масса гемоглобина - 68000 д., альбумина - 100 000 д., рибонуклеазы - около 14 000 д., миозина - 500 000 д.

Методы определения молярной массы белков должны быть щадящими, не разрушать белковых молекул. Например, к белкам не применим эбулиоскопический метод, основанный на измерении температуры кипения растворов. Наиболее точными методами определения молекулярной массы белков являются метод ультрацентрифугирования и рентгеноструктурный метод.

Метод ультрацентрифугирования (седиментации) основан на изменении скорости осаждения белков различной молекулярной массы при вращении белковых растворов с большой скоростью. Молекулярная масса белков, найденная этим методом, обозначается единицей Сведберга (S=10 -13 c.)

Рентгеноструктурный метод позволяет рассчитать молекулярную массу путём анализа многочисленных рентгеновских снимков молекулы белка.

Электрофоретический метод основан на зависимости скорости передвижения белков в постоянном электрическом поле от молекулярной массы белка (электрофоретическая подвижность выше у белков с меньшей молекулярной массой)

Хроматографический метод основан на различной скорости прохождения различных белков через молекулярные гелевые «сита».

Крупные молекулы, превышающие размеры пор геля, проходят через гель быстрее, чем более мелкие молекулы белка, которые задерживаются внутри зёрен геля.

Электронномикроскопический метод проводится путём сравнения размеров белковой молекулы с эталонными образцами известной массы.

Химические методы связаны с особенностями химического состава белков

Форма белковых молекул различна. Белковые молекулы по форме могут быть фибриллярными и глобулярными. Фибриллярные белки имеют нитевидную форму молекулы. Они, как правило, не растворимы в воде и в разбавленных солевых растворах. К фибриллярным белкам относятся основные структурные белки соединительной ткани: коллаген, кератин, эластин. У глобулярных белков полипептидные цепи плотно свёрнуты в компактные сферические структуры. Большинство глобулярных белков хорошо растворяются в воде и слабых солевых растворах. К глобулярным белкам относятся ферменты, антитела, альбумины, гемоглобин. Некоторые белки имеют промежуточный вид молекулы, содержат в своём составе и нитевидные, и шаровидные участки. Примером таких белков служит белок мышц миозин, растворимый в солевых растворах.

Размеры белковых молекул находятся в интервале от 1 до 100 нм, близком к размерам коллоидных частиц. В силу этого белковые растворы обладают свойствами, как истинных растворов, так и коллоидных растворов.

Многие молекулярно- кинетические свойства белковых растворов сходны со свойствами коллоидных растворов .

• Медленная скорость диффузии белков, необходимой для их обмена.
• Невозможность прохождения белков через полупроницаемые мембраны. В отсеках с высокой концентрацией белка создаётся избыточное гидростатическое давление, обусловленное односторонним перемещением молекул воды через полупроницаемую мембрану в сторону высокой концентрации белка. Избыточное давление, создаваемое белками, называется онкотическим давлением. Оно является важным фактором, определяющим передвижение воды между тканями, кровью, кишечником.
• Высокая вязкость белков обусловлена различными межмолекулярными взаимодействиями крупных белковых молекул. Повышенная вязкость крови, в частности, повышает нагрузку на сердечную мышцу.
• Некоторые белки способны образовывать гели, что увеличивает прочность белков (например, коллаген).

Оптические свойства белков определяются размерами белковых молекул, структурой радикалов аминокислот в белках, наличием пептидных связей и альфа-спиральных участков в белках.

• Белковые растворы обладают эффектом светопреломления (рефракции) и светорассеивания. Эти свойства обусловлены большими размерами белковых молекул, соизмеримыми с длиной волны видимой части спектра.. При этом короткие синие лучи рассеиваются в большей степени, чем более длинноволновые красные лучи. Степень рефракции пропорциональна концентрации белкового раствора.
• Белковые растворы поглощают ультрафиолетовые лучи в диапазоне 190-230 нм за счёт присутствия пептидных связей и в диапазоне 260-280 нм за счёт присутствия в белках циклических аминокислот. Степень поглощения УФЛ пропорциональна концентрации белка в растворе.
• Белковые растворы способны вращать плоскость поляризованного света, что обусловлено оптической активностью содержащихся в белке аминокислот и наличием в нём альфа-спиральных участков. Существует прямая зависимость между поляризаций света и концентрацией белков в растворе.

Белки, являясь молекулярными растворами, обладают свойствами истинных растворов . Будучи истинными растворами, белковые растворы отличаются высокой устойчивостью.

Билет 2. 1. Эссенциальные факторы питания липидной природы. Некоторые липиды не синтезируются в организме человека и поэтому являются незаменимыми факторами питания. К ним относятся жирные кислоты с двумя и большим числом двойных связей (полиеновые) -эссенциальные жирные кислоты. Некоторые из этих кислот являются субстратами для синтеза гормонов местного действия - эйкозаноидов (тема 8.10).

Жирорастворимые витамины выполняют разнообразные функции:витамин А участвует в процессе зрения, а также роста и дифференцировки клеток; доказана его способность угнетать рост некоторых видов опухолей; витамин К участвует в свертывании крови;витамин D участвует в регуляции обмена кальция; витамин Е - антиоксидант, ингибирует образование свободных радикалов и таким образом противодействует повреждению клеток в результате перекисного окисления липидов.

Документ

2.Строение и уровни структурной организации белков

Выделяют четыре уровня структурной организации белков: первичный, вторичный, третичный и четвертичный. Каждый уровень имеет свои особенности.

Первичная структура белка

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 белка

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] .

слабые (полярные и ван-дер-ваальсовы) [показать] .

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.

Альфа-полипептидная цепь заканчивается комбинацией аминокислот валина-лейцина, а бета- полипептидная цепь - комбинацией валина-гистидина-лейцина. Альфа- и бета-полипептидные цепи в гемоглобиновой молекуле не размещены линейно, это первичная структура. По причине существования интрамолекулярных сил полипептидные цепи скручиваются в форме типичной для белков альфа-геликсовой спирали (вторичная структура). Сама альфа-геликсовая спираль на каждую альфа- и бета-полипептидную цепь огибается пространственно, образуя сплетения овоидной формы (третичная структура). Отдельные части альфа-геликсовых спиралей полипептидных цепей отмечают латинскими буквами от А до Н. Все четыре третично изогнутые альфа- и бета-полипептидные цепи располагаются пространственно в определенном соотношении - кватернерная структура. Они связаны между собой не настоящими химическими связями, а межмолекулярными силами.

Выяснилось, что у человека имеются три основных типа нормального гемоглобина: эмбриональный - U, фетальный - F и гемоглобин взрослого человека - А. HbU (назван по начальной букве слова uterus) встречается в эмбрионе между 7 и 12 неделями жизни, затем он исчезает и появляется фетальный гемоглобин, который после третьего месяца является основным гемоглобином плода. Вслед за этим появляется постепенно обыкновенный гемоглобин взрослого человека, называемый HbA, по начальной букве английского слова "adult". Количество фетального гемоглобина постепенно уменьшается, так что в момент рождения 80% гемоглобина представляет собой HbA и только 20% - HbF. После рождения фетальный гемоглобин продолжает убывать и к 2 – 3 году жизни составляет всего 1 – 2%. То же количество фетального гемоглобина и у взрослого. Количество HbF, превышающее 2%, считается патологическим для взрослого человека и для детей старше 3 лет.

Кроме нормальных типов гемоглобина, в настоящее время известно свыше 50 его патологических вариантов. Они сначала были названы латинскими буквами. Буква В в обозначениях типов гемоглобина отсутствует, т. к. ею обозначен первоначально HbS.

Гемоглобин (Hb) - хромопротеин, присутствующий в эритроцитах и участвующий в транспорте кислорода к тканям. Гемоглобин взрослых людей называется гемоглобином А (Hb A). Молекулярная масса его составляет около 65000 Да. Молекула Hb А имеет четвертичную структуру и включает четыре субъединицы - полипептидные цепи (обозначаемые α1, α2, β1 и β2, каждая из которых связана с гемом.

Запомните, что гемоглобин относится к аллостерическим белкам, его молекулы могут обратимо переходить из одной конформации в другую. При этом изменяется сродство белка к лигандам. Конформация, обладающая наименьшим сродством к лиганду, называется напряжённой, или Т-конформацией. Конформация, обладающая наибольшим сродством к лиганду, называется релаксированной, или R-конформацией.

R- и Т-конформации молекулы гемоглобина находятся в состоянии динамического равновесия:

Различные факторы среды могут сдвигать это равновесие в ту или иную сторону. Аллостерическими регуляторами, влияющими на сродство Hb к O2, являются: 1) кислород; 2) концентрация Н+ (рН среды); 3) углекислота (СO2) ; 4) 2,3-дифосфоглицерат (ДФГ) . Присоединение молекулы кислорода к одной из субъединиц гемоглобина способствует переходу напряжённой конформации в релаксированную и повышает сродство к кислороду других субъединиц той же молекулы гемоглобина. Это явление получило название кооперативного эффекта. Сложный характер связывания гемоглобина с кислородом отражает кривая насыщения гемоглобина O2, имеющая S-образную форму (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1. Кривые насыщения миоглобина (1) и гемоглобина (2) кислородом.

Молекулярные формы гемоглобина отличаются друг от друга строением полипептидных цепей. Примером такой разновидности гемоглобина, существующей в физиологических условиях, является фетальный гемоглобин (HbF) , присутствующий в крови в эмбриональной стадии развития человека. В отличие от HbA, его молекула содержит 2 α- и 2 γ-цепи (то есть β-цепи заменены на γ-цепи). Такой гемоглобин обладает более высоким сродством к кислороду. Именно это позволяет эмбриону получать кислород из крови матери через плаценту. Вскоре после рождения HbF в крови ребёнка замещается на HbA.

В качестве примера аномального или патологического гемоглобина можно привести уже упоминавшийся (см. 2.4.) гемоглобин S, обнаруженный у больных серповидно-клеточной анемией. Как вам уже известно, он отличается от гемоглобина А заменой в β-цепях глутамата на валин. Эта аминокислотная замена вызывает снижение растворимости HbS в воде и уменьшение его сродства к O2.

Все процессы в клетке осуществляются при участии белков. Их функции чрезвычайно многообразны. Каждый данный белок как вещество с определенным химическим строением выполняет одну узкоспециализированную функцию и лишь в нескольких отдельных случаях – несколько взаимосвязанных.

Спускаясь от клеточного до молекулярного уровня мы встречаемся со следующими основными функциями белков:

1.Каталитическая (ферментативная) функция: Многочисленные биохимические реакции в живых организмах протекают в мягких условиях при температурах, близких к 40°С, и значениях рН близких к нейтральным. В этих условиях скорости протекания большинства реакций ничтожно малы, поэтому для их приемлемого осуществления необходимы специальные биологические катализаторы – ферменты. Даже такая простая реакция, как дегидратация угольной кислоты:

CO 2 + H 2 O HCO 3 - + H +

катализируется ферментом карбоангидразой. Вообще все реакции, за исключением реакции фотолиза воды 2H 2 O®4H + + 4e - + O 2 , в живых организмах катализируются ферментами. Как правило, ферменты – это либо белки, либо комплексы белков с каким-либо кофактором – ионом металла или специальной органической молекулой. Ферменты обладают высокой, иногда уникальной, избирательностью действия. Например, ферменты, катализирующие присоединение a-аминокислот к соответствующим т-РНК в процессе биосинтеза белка, катализируют присоединение только L-аминокислот и не катализируют присоединение D-аминокислот.

2. Транспортная функция белков. Белки служат для запасания и переноса кислорода (гемоглобин, гемоцианин). Эта функция напоминает ферментативную, но она отлична от нее, т.к. О 2 не претерпевает изменений.

Внутрь клетки должны поступать многочисленные вещества, обеспечивающие ее строительным материалом и энергией. В то же время все биологические мембраны построены по единому принципу – двойной слой липидов, в который погружены различные белки, причем гидрофильные участки макромолекул сосредоточены на поверхности мембран, а гидрофобные “хвосты” – в толще мембраны. Такая структура непроницаема для таких важных компонентов, как сахара, аминокислоты, ионы щелочных металлов. Их проникновение внутрь клетки осуществляется с помощью специальных транспортных белков, вмонтированных в мембрану клеток.

3. Регуляторные функции - низкомолекулярные полипептиды (инсулин, окситоцин), гормоны стимулируют функциональную активность в клетках других тканей и органов.

4. Защитная иммунологическая функция. Иммунная система обладает способностью отвечать на появление чужеродных частиц выработкой огромного числа лимфоцитов, способных специфически повреждать именно эти частицы, которыми могут быть чужеродные клетки, например патогенные бактерии, раковые клетки, надмолекулярные частицы, такие как вирусы, макромолекулы, включая чужеродные белки. Одна из групп лимфоцитов – В-лимфоциты , вырабатывает особые белки, выделяемые в кровеносную систему, которые узнают чужеродные частицы, образуя при этом высокоспецифичный комплекс на этой стадии уничтожения. Эти белки- иммуноглобулины высших организмов, защищают их от чужеродных биополимеров за счет своего специфического строения (функциональной группы).

5. Функция хранения, передачи химических и электрических сигналов.

6. Структурная функция. Наряду с белками, выполняющими тонкие высокоспециализированные функции, существуют белки, имеющие в основном структурное значение. Они обеспечивают механическую прочность и другие механические свойства отдельных тканей живых организмов. В первую очередь это коллаген - основной белковый компонент внеклеточного матрикса соединительной ткани. У млекопитающих коллаген составляет до 25% общей массы белков. В эластичных тканях - коже, стенках кровеносных сосудов, легких - помимо коллагена внеклеточный матрикс содержит белок эластин , способный довольно в широких пределах растягиваться и возвращаться в исходное состояние.

Еще один пример структурного белка - фиброин шелка, выделяемый гусеницами шелкопряда в период формирования куколки и являющийся основным компонентом шелковых нитей.

7. Двигательные белки. Мышечное сокращение является процессом, в ходе которого происходит превращение химической энергии, запасенной в виде макроэргических пирофосфатных связей в молекулах АТФ, в механическую работу. Непосредственными участниками процесса сокращения являются два белка - актин и миозин.

8. Рецепторная функция. Большое значение, в особенности для функционирования многоклеточных организмов, имеют белки-рецепторы , вмонтированные в плазматическую мембрану клеток и служащие для восприятия и преобразования различных сигналов, поступающих в клетку, как от окружающей среды, так и от других клеток. В качестве наиболее исследованных можно привести рецепторы ацетилхолина , находящиеся на мембране клеток в ряде межнейронных контактов, в том числе в коре головного мозга, и у нервно-мышечных соединений. Эти белки специфично взаимодействуют с ацетилхолином и отвечает на это передачей сигнала внутрь клетки. После получения и преобразования сигнала нейромедиатор должен быть удален, чтобы клетка подготовилась к восприятию следующего сигнала.

9. Токсины: Ряд живых организмов в качестве защиты от потенциальных врагов вырабатывают сильно ядовитые вещества - токсины. Многие из них являются белками, однако, встречаются среди них и сложные низкомолекулярные органические молекулы. В качестве примера такого вещества можно привести ядовитое начало бледной поганки - a-аманитин: Это соединение специфично блокирует синтез эукариотических и-РНК. Для человека смертельной дозой является несколько мг этого токсина.

Первичная и вторичная структура белков. Белки не являются статическими образованиями. Это структуры, которые могут претерпевать определенные конформационные изменения в процессе биологического функционирования. Анализ конформаций проводят исходя из различных уровней организации бел­ковых молекул. Еще в 1959 г К.Линдерстрем-Ланг выделил четыре уровня структурной организации белков - первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуру. Позже на основании сопоставления данных рентгеноструктурного анализа, калориметрии и других методов были выделены еще два уровня организации - сверхвторичные структуры и домены белков.

Аминокислотную последовательность называют первичной структурой белка. Изучение расположения аминокислот в белках представляет важный этап в изучении структуры белка. В настоящее время этот анализ проводится автоматически с помощью приборов секвинаторов. В последние годы используется новый метод определения аминокислотной последовательности. Выделяют фрагмент ДНК, содержащий структурный ген данного белка, расшифровывают после­довательность нуклеотидов и переводят ее согласно генетическому коду в аминокислотную последовательность. Первичная структура - это одномерное представление белковой молекулы. Знание первичной структуры используется для предсказания вторичной и третичной структуры белка. Одновременное использование аминокислотной последовательности и кристаллографических карт электронной плотности позволяет восстановить пространственное расположение всех атомных групп в белке.

В полипептидной цепи пептидная группа является плоской и жесткой. Полипептидную цепь можно представить как последовательность однотипных плоскостей (пептидных групп), соединенных между собой одинарными связями. Вращение вокруг этих связей не является полностью свободным вследствие стерических ограничений. Угол поворота вокруг связей С – С а обозначают ψ, а угол поворота вокруг связей N – С а обозначают φ. Г.Рамачандран провел расчеты конформационных состояний полипептидной цепи с помощью ЭВМ и определил область возможных значений ψ и (графики Рамачандрана или конформационные карты). На конформационных картах значения углов ψ и φ в белках не являются произвольными, они четко ограничены конкретными областями, что свидетельствует о существовании ограни­ченного количества конформаций полипептидной цепи.

Под вторичной структурой белка понимают упорядоченное расположение полипептидной цепи, стабилизированное водородными связями между пептидными группами. Рассматривая этот структурный уровень, говорят о локальной конформации участков полипептидной цепи. Часто встречаемой и наиболее энергетически и стерически выгодной вторичной структурой является правая α– спираль, которая впервые была постулирована Л.Полингом и Р.Кори (1951) . Наиболее важные характеристики α– спирали: 1) число аминокислотных остатков на один шаг спирали составляет 3,6; 2) шаг спирали d = 0,54 нм; 3) трансляция на один остаток вдоль спирали Δd = 0,15 нм; 4) радиус α– спирали r = 0,23 нм; 5) водородные связи (параллельные оси спирали) образуются между каждой первой и четвертой пептидной группой; 6) для α– спирали φ = -57° и ψ = -47°. Как видно из поперечного среза α– спирали на каждом обороте ее происходит сдвиг вправо на 60°. В результате такого сдвига только через 10 оборотов 1-я пептидная группа точно будет совпадать с 36-й пептидной группой.

Вторичными структурами белковых молекул являются параллельные и антипараллельные β-складчатые листы (или β-структура). На конформационной карте Рамачандрана для β-слоя с антипараллельными цепями φ = -139° и ψ = +135° , для β-слоя с параллельными цепями φ = - 119° и ψ = +113°. Большинство из них имеют не более шести полипептидных цепей, стабилизированных водородными связями, и по шесть аминокислотных остатков по длине каждой цепи. Размеры такого листа: ширина t = 2,5 нм, длина l = 2,0 нм. Большинство складчатых листов имеют скрученную форму. Скручивание идет перпендикулярно вытянутым цепям.

Следующим уровнем организации белковых молекул являются сверхвторичные структуры. Примером таких структур является суперспиральные структуры. В них две α– спирали (в тропомиозине, легком меромиозине, парамиозине) или три α -спирали (в фибрино­гене) скручены друг относительно друга. Шаг суперспирали в легком меромиозине составляет α= 18,6 нм. На примере тропомиозина с известной аминокислотной последовательностью сделан вывод о том, что суперспираль стабилизируется гидрофобными взаимодействиями между отдельными α -спиралями.

Первичная структура цепи и формирование белковой глобулы

Одной из важнейших проблем физики белка является проблема связи между первичной структурой полипептидной цепи и пространственной строением глобулы. Биологически функциональна нативная пространственная структурa макромолекул, а генетически кодируется первичная структура. И почему молекула белка образует глобулу, по другому говоря, почему белок способен к самосборке и белок в этом состоянии уже может выполнять свои функции? Как было установлено Гуццо, для пространственной структуры белка имеет значение конкретное расположение аминокислот. Различают аминокислоты «неспиральные» не могут образовывать спирали и «спиральные» - могут изгибаться (асп, цис, тир, сер). От этого зависит закрученность, укладка молекулы. И еще особо важное значение для образования пространственной структуры белка имеет аминокислота глицин - это как универсальный шарнир может занимать самые различные положения.

В настоящее время предполагается, что самоорганизация белковой глобулы, не есть результат некого направленного процесса. Многие исследователи считают, что программа безошибочной самоорганизации закодирована в самой первичной структуре. Самоорганизация происходит стадийно, так что на каждом следующей стадии формируется все более сложная и стабилизированная структура.

Регулярные конформации полипептидных цепей, стабилизированные водородными связями (α и β – формы) устойчивы лишь в определенных условиях, Изменение температуры, рН, растворителя среды приводит к переходам конформации. Американец Доти устано­вил, что переходы спираль-клубок протекают за очень короткое время. Переход характеризуется изменением вязкости, светорассеивания и т.д. Резкость перехода свидетельствует о кооперативном характере, т.е. каждое звено макромолекулы находится в закрепленном состоянии с помощью водородных связей. При действии посторонних факторов происходит изменение упаковки молекул, т.е. конформации.

Согласно ученому Птицину на первой стадии в развернутой белковой цепи образуются флуктурующие (измененные, непостоянные) зародыши спиральных участков с вытянутой структурой (места образ.). На второй стадии одна или несколько пар заро­дышей объединяются, образуя центры организации третичной струк­туры. На третьей стадии происходит рост центров за счет присоединения соседних участков цепи.

И на последней, четвертой стадии образуется единая компактная структура глобулы путем роста или объединения нескольких центров.

Домены и третичная структура белка

Третичная структура белка представляет собой термодинамически наиболее стабильную форму свертывания и укладки полипептидной цепи. Возникает вопрос, как происходит свертывание белка, каким образом одномерная информация, заложенная в последовательности аминокислот, реализуется в пространственную информацию? Эксперименты по денатурации и ренатурации белков показали, что процессы разру­шения и образования компактной третичной структуры проходят достаточно быстро: нуклеаза стафилококков повторно свертывается за 1 с.

Для объяснения процесса свертывания используется нуклеационная модель. В этой модели допускается, что короткие сегменты полипептидной цепи очень быстро свертываются независимо друг от друга, а на втором этапе они сближаются, образуя компактную трехмерную структуру. Сегменты белка образуют α -спирали и β-слои с большой скоростью. Экспериментально показано, что переходы спираль - клубок проходят за время от 10 -6 до 10 -8 c.

В последнее время в белках выделен еще один важный уровень структурной организации. Анализ карт электронной плотности белков с молекулярной массой больше 20 000 показал, чтo белки состоят из нескольких глобулярных областей, слабо связанных между собой. Эти области получили название доменов. Индивидуальные домены часто можно выделить из белка с помощью протеолитических ферментов без потери ими функциональных свойств. Под доменом подразумевают область одной полипептидной цепи, заключенной в компактном объеме. Это такие участки цепи, которые свертываются и развертываются в белке независимо друг от друга.

Домен можно рассматривать как относительно автономную структурную единицу. С помощью сканирующей микрокалориметрии Привалов показал наличие в сложных белках отдельных кооперативных блоков, для которых характерны скачкообразные структурные переходы при тепловой денатурации. Оказалось, что во многих случаях такие кооперативные белки хорошо соответствует выделенным протеолитическим фрагментам белков. Это позволило идентифицировать кооперативные блоки с доменами белков. Часто выделенные протеолитические фрагменты имеет структурные свойства, подобные кооперативным блокам, т.е. совпадают их температуры плавления и энтальпии переходов, а также они сохраняют функциональные характеристики нативных белков. Домены связаны между собой очень ограниченным количеством пептидных связей, которые сравнительно легко разрываются под действием протеолитических ферментов.

В настоящее время с помощью сканирующей микрокалориметрии электронной микроскопии, протеолитического расщепления установлено доменное строение в таких высокомолекулярных белках, как иммуноглобулин, миозин, фибриноген и др.

Домены могут представлять собой важные промежуточные образования в процессе свертывания нативной структуры белков. Белки, состоящие из доменов, должны иметь более гибкую структуру, чем белки, в которых различные участки скреплены между собой. По-видимому, обратимые конформационные изменения, влияющие на функцию ферментов, связаны с междоменными перестройками без изменения структурной стабильности самих доменов.

Гипотеза расплавленной глобулы. Одним из способов изучения свора­чивания полипептидной цепи в трехмерную структуру является денатурация и последующая ренатурация белковой молекулы.

Опыты К. Анфинсена с рибонуклеазой однозначно показывают возмож­ность сборки именно той пространственной структуры, которая была наруше­на в результате денатурации.

В данном случае восстановление нативной конформации не требует нали­чия никаких дополнительных структур. Какие же модели свертывания поли­пептидной цепи о соответствующую конформацию являются наиболее веро­ятными? Одной из распространенных гипотез самоорганизации белка являет­ся гипотеза расплавленной глобулы. В рамках этой концепции выделяют не­сколько этапов самосборки белков.

1. В развернутой полипептидной цепи с помощью водородных связей и гидрофобных взаимодействий образуются отдельные участки вторичной структуры, служащие как бы затравками для формирования полных вторич­ных и супервторичных структур.

2. Когда число этих участков достигает определенной пороговой величи­ны, происходит переориентация боковых радикалов и переход полипептидной цепи в новую более компактную форму, причем число нековалентных связей значительно увеличивается. Характерной особенностью этой стадии является образование специфических контактов между атомами, находящимися на удаленных участках полипептидной цепи, но оказавшихся сближенными в результате образования тре­тичной структуры.

3. На последнем этапе формируется нативная конформация белковой молекулы, связанная с замыканием дисульфидных свя­зей и окончательной стабилизацией белковой конформации. Не исключена также неспецифическая агрегация частично свернутых полипептидных цепей, что можно квалифицировать как ошибки образо­вания нативных белкоя. Частично свернутая полипептидная цепь (этап 2) называется расплавленной глобулой, а этап 3 является самым медленным при образовании зрелого белка.

В клетках имеется ряд каталитически неактивных белков, которые, тем не менее, вносят большой вклад в образование пространственных структур белков. Это так называемые шапироны и шапиронины. Один из первооткрывателей молекулярных шапиронов Л. Эллис называет их функциональным классом не связанных друг с другом семейств белков, кото­рые помогают правильной нековалентной сборке других полипептидсодержащих структур in vivo, но не входят в состав собираемых структур и не участву­ют к реализации их нормальных физиологических функций.

Шапироны помогают правильной сборке трехмерной белковой конформации путем образования обратимых нековалентных комплексов с частично свернутой полипептидной цепью, одновременно ингибируя неправильно об­разованные связи, ведущие к формированию функционально неактивных бел­ковых структур. В перечень функций, свойственных шапиронам, входит заши­та расплавленных глобул от агрегации, а также перенос новосинтезированных белков в различные локусы клеток. Шапироны преимущественно являются белками теплового шока, синтез которых резко усиливается при стрессовом температурном воздействии. Семейства этих белков найдены в микробных, растительных и живот­ных клетках. Классификация шапиронов основана на их молекулярной массе, которая варьирует от 10 до 90 kDa. В основном функции шапиронов и шапиронинов различаются, хотя и те, и другие являются белками-помощниками процессов образования трехмерной структуры белков. Шапироны удерживают новосинтезированную полипептидную цепь в развернутом состоянии, не да­вая ей свернуться в отличную от нативной форму, а шапиронины обеспечивают условия для образования единственно правильной, нативной структуры белка.

Четвертичная структура белков

Образование хаотично сформированных агрегатов является ошибкой, ко­торая приводит к появлению функционально неактивных белков, поэтому в клетках предусмотрены механизмы быстрой их деградации и распада на от­дельные аминокислоты. Однако в природе существует немало генетически де­терминированных агрегатов, включающих в себя несколько полипептидных цепей, образующих большие белковые макромолекулы. Четвертичной струк­турой называют ассоциированные между собой две или более субъединиц, ориентированных в пространстве. По-видимому, более правильно примени­тельно к четвертичной структуре белков говорить не об агрегатах, а об ансамб­лях глобул. Характеризуя четвертичную структуру белков, следует исключать ее псевдоварианты. Так белковый гормон инсулин состоит из двух полипеп­тидных цепей, но они не являются полноправными глобулами, а образуются в результате ограниченного протеолиза единой полипептидной цепи. Не явля­ются белками с истинной четвертичной структурой и мультиферментные комплексы. Они представляют собой типичные надмолекулярные структуры. При образовании четвертичной структуры отдельные субъединицы взаимодействуют друг с другом исключительно при помощи нековалентных связей, в первую очередь водородных и гидрофобных. Весьма существенным является тот факт, что контактные поверхности взаимодействующих субъеди­ниц комплементарны друг другу. В контактных участках расположены гидро­фобные группировки, которые получили название «липкие пятна».

Взаимная ориентация электроотрицательных атомов, облегченная нали­чием комплементарных сайтов, способствует образованию большого числа во­дородных связей. Это обеспечивает реализацию кооперативного эффекта и стабилизацию макромолекулы. Кроме того, множественность нековалентных связей является основой передачи структурных перестроек от одной субъеди­ницы на другие.

Белки, имеющие четвертичную структуру, часто называют олигомерными. Различают гомомерные и гетеромерные белки. К гомомерным относятся белки, у которых все субъединицы имеют одинаковое строение. В качестве примера можно привести белок каталазу, состоящую из четырех абсолютно равноцен­ных субъединиц. У гетеромерных белков отдельные субъединицы не только отличаются по строению, но и могут выполнять различные функции. Напри­мер, белок РНК-полимераза состоит из пяти субъединиц различного строения и с неодинаковыми функциями.