IX.4.2.3. Свойства белков

Свойства белков здесь рассматриваются в самых общих чертах.

Как уже упоминалось выше, белки можно рассматривать как природные полиамиды. Отличительной чертой белков является конформационная стабильность их макромолекул; иными словами, вращение вокруг ординарных связей в полипептидных цепях (т.е. изменение их конформаций) здесь заметно затруднено по сравнению с цепями многих других полимеров; конформационно стабильные полимеры называют жесткими. Жесткость полипептидных цепей обусловлена: А. Тем, что каждая третья связь в цепи – амидная; вращение вокруг нее при обычных температурах не происходит (стр. 342).

Б. В еще большей мере - тем, что в боковых группах находятся самые разнообразные заместители (см. табл.1); между этими заместителями возникают многочисленные и достаточно сильные внутри- и межмолекулярные взаимодействия разнообразного характера: силы Ван-дер Ваальса, диполь-дипольные взаимодействия, ионные связи; особо следует выделить образование водородных связей. Эти взаимодействия стабилизируют конформации полипептидных цепей; наиболее устойчивыми становятся те конформации, в которых энергия этих взаимодействий наибольшая.

Конформационная стабильность белков настолько велика, что при невысоких температурах, в частности, в физиологических условиях, многие белки имеют единственную конформацию, называемую нативной. Это особенно поразительно, если учесть, что теоретически возможное число конформаций полимерной цепи невообразимо велико. Естественно, нативная конформация наиболее устойчива. Поскольку каждый белок имеет специфическую первичную структуру, он имеет и свою специфическую нативную конформацию.

Именно благодаря нахождению в единственной конформации, белки способны осуществлять важнейшие биологические функции – прежде всего, ферментативную. Действительно, в этом случае все важнейшие группы в белковой молекуле занимают фиксированное положение в пространстве и могут координироваться с субстратами строго определенным образом; каждый фермент «настроен» на свой субстрат. Мало чем уступает ферментативной рецепторная функция белков, например, узнавание антигенов в процессе иммунного ответа; и здесь все решают специфические нативные конформации белков-рецепторов: каждый из них «настроен» на определенный антиген.

При рассмотрении нативных конформаций белков принято различать вторичную и третичную структуры. Вторичная структура – конформации отдельных участков полипептидных цепей. Вторичные структуры могут быть регулярными и нерегулярными. Наиболее типичные регулярные вторичные структуры - -спирали и -складчатые слои.

-Спираль – правая спираль, содержащая 3,6 аминокислотных звена на виток; эта структура стабилизируется внутримолекулярными водородными связями: группа NH каждой пептидной связи образует водородную связь с группой С=О пептидной связи четвертого от нее звена:

Т акое количество водородных связей (на схеме изображена лишь одна из них) обеспечивает значительный выигрыш в энергии; кроме того, объёмные боковые группы R направлены в сторону от спирали и не создают пространственного напряжения.

-Складчатая структура образована линейными участками полипептидных цепей, ориентированных параллельно (А) или антипараллельно (Б); она стабилизируется водородными связями, возникающими между пептидными связями параллельно или антипараллельно ориентированных участков цепей:

В нерегулярных структурах не прослеживается какой-либо упорядоченности в конформациях.

Образование той или иной разновидности вторичной структуры зависит от условий и от строения аминокислотного звена (т.е. группы R): одни звенья лучше укладываются в -спираль, другие – в складчатую структуру, некоторые (например, пролиновое) не склонны входить ни в ту, ни в другую форму.

Третичная структура – конформация всей полипептидной цепи; она складывается как сумма вторичных структур. Полипептидная цепь может быть вытянутой (нитевидной) или свернутой в компактную глобулу; в первом случае белки называют фибриллярными, во втором – глобулярными. К фибриллярным белкам относятся кератин шерсти, фиброин шелка, коллаген костей и сухожилий; эти белки выполняют структурные и механические функции. Глобулярные белки, как правило, выполняют более тонкие биологические функции, в том числе ферментативные. При формировании глобулярной структуры большую роль играют своеобразные внутримолекулярные взаимодействия, называемые гидрофобными; это стремление неполярных боковых групп (стр. 377) агрегироваться друг с другом, избегая контактов с водой.

Схематичное изображение глобулярного белка приведено на рис. 9.

Рис.9. Схема третичной структуры глобулярного белка (фермента триозофосфатизомеразы); плоские стрелки - складчатые структуры.

Для выполнения сложных биологических функций (ферментативного катализа, переноса кислорода и других) часто необходима ассоциация макромолекул глобулярных белков в комплексы - четвертичные структуры. Эти комплексы имеют постоянный состав; число макромолекул в комплексах – от двух до нескольких десятков (ферменты) и даже тысяч (белковые оболочки вирусов). Пространственное строение ассоциатов строго фиксировано.

Белки образуют также комплексы с другими биополимерами, прежде всего, с нуклеиновыми кислотами (нуклеопротеидные комплексы); эти комплексы выполняют важнейшие биологические функции, такие, как регуляция экспрессии генов, биосинтез белков и другие.

Фиксированные нативные конформации белков сохраняются лишь в определенных условиях. При изменении условий (повышении температуры, изменении рН, добавлении других растворителей, а также ряда химических соединений) нативные структуры белков разрушаются; этот процесс называют денатурацией. Например, при повышении температуры (термическая денатурация) макромолекулы приобретают конформационную подвижность, конформации начинают изменяться в процессе теплового движения; естественно, при этом разрушаются вторичные и третичные структуры. Разрушение нативных конформаций приводит к утрате биологических функций белков.

В ряде случаев денатурация является обратимой; в этих случаях после воссоздания исходных условий полипептидные цепи вновь приобретают исходные нативные конформации. В других случаях этого не происходит; в этих случаях денатурация является необратимой.

Химические свойства белков складываются из реакций амидных (пептидных) связей полимерной цепи и реакций функциональных групп, входящих в боковые фрагменты R. По своей сути это обычные реакции, которые ранее уже рассматривались.

Реакции функциональных групп боковых фрагментов (например, групп ОН серина и тирозина, групп СООН аспарагиновой и глутаминовой кислот) играют важную роль в ферментативном катализе (эти группы входят в состав каталитических центров ферментов). Реакции этих групп важны и для других сложных биологических процессов: например, ключевую роль в транспорте ионов Na⁺ и K⁺ через биомембраны играет образование смешанного ангидрида с фосфорной кислотой (фосфорилирование) одной из групп СООН аспарагинового звена мембранного белка и последующая обратная реакция гидролиза эфира (дефосфорилирование).

Реакции пептидных связей белков – это, как правило, их гидролиз, т.е. деструкция полипептидной цепи. Гидролиз происходит под действием водных растворов кислот и щелочей, а также под действием ферментов. Кислотный и щелочной гидролиз в большинстве случаев неизбирательны, т.е. вероятность гидролиза любой пептидной связи - примерно одного порядка. В конечном счете, происходит полное расщепление полипептидных цепей на мономерные аминокислоты. Однако для модифицированных полипептидных цепей в специальных условиях можно добиться специфичного кислотного гидролиза – отщепления только N-концевой аминокислоты (см. ниже). Ферментативный гидролиз пептидных цепей обычно специфичен. В одних случаях происходит отщепление N- или С-концевых аминокислотных звеньев; ферменты, катализирующие такое расщепление – экзопептидазы (соответственно аминопептидазы и карбоксипептидазы). В других случаях происходит избирательное расщепление некоторых пептидных связей, удаленных от концов цепи (при катализе эндопептидазами); например, фермент трипсин расщепляет только те пептидные связи, в образовании которых принимает участие группа СО аргинина или лизина.

Реакции полного гидролиза белков используются для установления аминокислотного состава белков. Реакции специфического гидролиза используются для установления первичной структуры белков; этот вопрос заслуживает несколько более детального рассмотрения.