Слесарев В.И. - Химия. Основы химии живого. 2000 (учебник для вузов)

а

Рис. 21.4. Вторичная структура белков:

а - a-структура (спиралевидная), б - p-структура (складчатая)

играют водородные связи, возникающие между ^ С = 0 и NHC^

группами хребта полипептидной цепи.

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

Складчатая P-структура формируется из большого числа па­ раллельных вытянутых полипептидных цепей, связанных мно­ жеством водородных связей между собой. Боковые радикалы R располагаются выше и ниже плоскости, проведенной через об­ разовавшийся складчатый лист.

Неупорядоченная структура отдельных фрагментов белка ха­ рактеризуется 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 од­ ной молекуле фрагментов с а-, Р- и неупорядоченной структурой.

Невысокая прочность водородных связей позволяет сравни­ тельно легко трансформировать вторичную структуру под внеш­ ним воздействием: изменением температуры, состава или pH сре­ ды - или под механическим воздействием. В результате транс­ формации вторичной структуры белка меняются его нативные, т. е. первичные от природы, свойства, а следовательно, его био­ логические и физиологические функции.

556

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

Третичная структура белковой молекулы возникает совершен­ но автоматически в результате самоорганизации полипептидной цепи в соответствии с ее первичной и вторичной структурами, а также с составом окружающего раствора. Движущей силой, свер­ тывающей полипептидную цепь белка в строго определенное трехмерное образование, является взаимодействие аминокислот­ ных радикалов между собой и с молекулами окружающего рас­ твора. При этом в водных растворах гидрофобные заместители вталкиваются внутрь белковой молекулы, образуя там сухие зо­ ны ("жирные капли"), а гидрофильные - ориентируются в сто­ рону водной среды. В некоторый момент достигается энергетиче­ ски 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 постоян­ ной или возрастает. Таким образом, с позиции II закона термо­ динамики стабилизацию третичной структуры белка в водной среде обеспечивает стремление водного окружения молекулы белка перейти в состояние с максимальной энтропией. Пред­ ставление 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 Fe2+. В молекуле лизо­ цима показаны S—S дисульфидные мостики, участвующие в стабилизации третичной структуры этого белка.

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

557

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

Четвертичная структура. Крупные молекулы белка с моле­ кулярной массой более 60 000 обычно представляют собой агрега­ ты, которые состоят из нескольких полипептидных цепей со срав­ нительно небольшой молекулярной массой. При этом каждая цепь, сохраняя характерную для нее первичную, вторичную и третич­ ную структуру, выступает в роли субъединицы этого агрегата, имеющего более высокий уровень пространственной организа­ ции - четвертичную структуру. Такая молекула-агрегат пред­ ставляет единое целое и выполняет биологическую функцию, не свойственную отдельно взятым субъединицам. Например, молеку­ ла 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 взаи­ модействий, а иногда и дисульфидных связей между объединяе­ мыми полипептидными цепями. Молекулярная масса белков с четвертичной структурой может достигать нескольких десятков миллионов. Четвертичная структура белков чувствительна к внеш­ ним воздействиям и может ими нарушаться.

Форма белковых молекул. По форме молекулы нативные белки, т. е. проявляющие запрограммированные природой био­ логические свойства, делят на фибриллярные и глобулярные. Молекулы фибриллярных белков обычно имеют P-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 сфериче­ скую форму и размер 10- 9-1 0 -7 м. Они обычно растворяются в воде, так как на их поверхности в основном находятся поляр­ ные группы. Растворяясь в воде, глобулярные белки образуют лиофильные коллоидные растворы (разд. 27.3). Примеры гло­ булярных белков: альбумин (яичный белок), миоглобин, почти все ферменты.

Жидкокристаллическое состояние. Молекулы белков - дос­ таточно крупные образования и имеют фиксированную простран­ ственную структуру, которая может быть анизотропна в целом, или могут быть анизотропны отдельные фрагменты пептидной цепи. Поэтому для многих белков характерно жидкокристалли­ ческое состояние в определенном температурном интервале (тер­ мотропное жидкокристаллическое состояние) или образование одного или нескольких лиотропных жидкокристаллических со­

558

стояний с участием водной среды при определенной концентра­ ции веществ в растворе. Образование жидкокристаллического состояния или переходы из одного жидкокристаллического со­ стояния в другое, сопровождаемые изменением ориентации от­ дельных фрагментов молекулы белка или изменением в согласо­ ванности движения в системе, не требуют больших энергетиче­ ских затрат, но могут привести к изменению его биологических функций. Например, повлиять на сократительную функцию мио­ зина мышечных волокон, ферментативную активность, транспорт­ ную 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 закупори­ вают капилляры, и транспорт кислорода нарушается. Образование камней в мочеили желчевыводящих системах связано с измене­ нием не только концентрации, но и состояния защитных белков в этих системах. Способность белков и их растворов переходить в жидкокристаллическое состояние до последнего времени в био­ логии, 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 pH и ионной силы среды, облучение УФ и рентгеновскими лучами, присутствие веществ, способных дегидратировать молекулу белка (этанол, ацетон, мо­ чевина) или вступать во взаимодействие с его заместителями (окислители, восстановители, формальдегид, фенол) и даже при сильном механическом перемешивании растворов.

Денатурацией называется разрушение природной (на­ «тивной) конформации макромолекулы белка под внешним

воздействием.

При денатурации разрушаются четвертичная, третичная и вто­ ричная структуры, а первичная структура белка сохраняется. Поэтому денатурация может иметь обратимый (денатурация - ренатурация) и необратимый характер в зависимости от приро­ ды белка и интенсивности внешнего воздействия. Необратимая денатурация обычно происходит при тепловом воздействии (на­ пример, свертывание яичного альбумина при варке яиц). У де­ натурированных глобулярных белков уменьшается сродство к воде, так как на поверхности молекул оказывается много гид­ рофобных радикалов. Поэтому снижается их растворимость, появляются хлопья или осадок. Главное, при денатурации ут­ рачивается биологическая активность и глобулярных, и фиб­ риллярных белков, что наблюдается при многих способах их выделения (разд. 11.3). Во избежание денатурации белка и для сохранения его нативной конформации в процессе выделения

559

все операции проводят в мягких условиях при температуре не выше 5 °С, избегая резких воздействий химических реагентов.

Поверхностные свойства белков. Молекулы белков содержат разные а-аминокислоты, имеющие и гидрофобные радикалы на основе алифатических и ароматических углеводородов, и гидро­ фильные радикалы, включая пептидную группировку. Эти ради­ калы распределены по всей цепи, и поэтому большинство бел­ ков является поверхностно-активными веществами (разд. 26.6). Характерная особенность белковых ПАВ - наличие в их молеку­ лах фрагментов с резко различным гидрофильно-липофильным балансом, что делает их эффективными стабилизаторами для лиофобных дисперсных систем, эмульгаторами жиров и холесте­ рина 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 липопротеи­ нами. В липопротеинах между молекулами белков и липидов нет ковалентных связей, а есть только межмолекулярные взаи­ модействия. Внешняя поверхность липопротеиновой мицеллы состоит из гидрофильных фрагментов белков и молекул фосфо­ липидов, а ее внутренняя часть (ядро) представляет собой гид­ рофобную среду, в которой растворены жиры, холестерин и его эфиры (рис. 21.6). Наличие в липопротеинах внешней гидро­ фильной оболочки делает эти богатые липидами мицеллы "рас­ творимыми” в воде и хорошо приспособленными для транспор­ та жиров из тонкого кишечника в жировые депо и в различные ткани. Диаметр липопротеиновых мицелл составляет от 7 до 1000 нм.

Взависимости от плотности, размеров мицелл и соотношения

вних белка и липидов липопротеины подразделяют на 4 класса (табл. 21.2).

сС Фосфолипиды

Триацилглицерины

i1- Холестерин

Эфиры холестерина

Белок

(аполипопротеин)

Рис. 21.6. Мицелла липопротеина

Таблица 21.2

Классификация липопротеинов

н ости (Л В П ), и л и а -л и п о п р о ­ теи н ы

Роль хиломикронов и липопротеинов очень низкой плотно­ сти заключается в транспорте жиров и их гидролизе под дейст­ вием липопротеинлипазы. По мере расщепления жиров проис­ ходит превращение:

(3-Липопротеины в основном транспортируют холестерин в клет­ ки, а а-липопротеины выводят из клеток избыток холестерина.

При изучении липопротеинового состава сыворотки крови ус­ тановлено, что чем больше отношение Р-липопротеины/а-липо­ протеины, тем больше опасность обильных отложений холесте­ рина на внутренней поверхности кровеносных сосудов, т. е. ате­ росклероза. Атеросклероз способствует развитию инсульта или инфаркта миокарда за счет ограничения кровотока через су­ женные сосуды мозга или сердца.

Поверхностные свойства белков, характеризующие их спо­ собность к межмолекулярным взаимодействиям, лежат в основе взаимодействия фермента с субстратом (разд. 5.6), антитела с антигеном и объясняют различные взаимодействия, называе­ мые в биологии специфической комплементарностью (теория "ключа и замка"). Во всех этих случаях имеет место строгое со­ ответствие между поверхностной структурой и свойствами взаи­ модействующих частиц, которые обеспечивают высокую эф­ фективность различных видов межмолекулярных взаимодейст­ вий между ними (рис. 21.3). В биологии это часто упрощенно отражают, используя графическое соответствие форм и разме­ ров взаимодействующих частиц (рис. 21.7).

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

561

8 щ ушщ тшр-чш

Т О г Ш < ш Л л \

Рис. 21.7. Графическая интерпретация соответствия межмолекулярных взаимодействий между белковыми частицами, описываемых специфи­ ческой комплементарностыо или теорией "ключа и замка"

информации, в которой роль букв алфавита играют 20 амино­ кислотных 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 анти­ тело - антиген или происходит синтез в организме соответст­ вующего антитела на появившийся антиген. Информационные свойства белков ле#сат в основе иммунитета, представляющего собой целостную систему биологических механизмов самозащи­ ты организма, в основе которых лежат информационные процес­ сы распознавания "свой" и "чужой". "Аминокислотный язык", содержащий 20 единиц, является одним из наиболее оптималь­ ных 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 свой­ ства за счет неионизованных карбоксильных групп —СООН, аммо­ нийных групп —NH3, тиольных групп —SH, а также я-гидрокси-

ют за счет групп —СОСГ, аминогрупп —NH2, а также заместителей имидазила —C3H3N2 и гуанидилия — (CH5N3)+. В водных раство­ рах в зависимости от pH среды белки могут находиться при pH = рI белка в молекулярной, т. е. нейтральной форме, имеющей бипо­ лярно-ионное строение, при pH < рI белка появляется катионная форма, и при pH > рI белка появляется анионная форма, в ос­ новном за счет ионизации заместителей (—RH).

562

Всильнокислой среде происходит протонирование ионизо­ ванной карбоксильной группы белка, а в сильнощелочной сре­ де - депротонирование концевой аммонийной группы. Однако в биологических средах, для которых не характерны такие край­ ние значения pH, подобных превращений с белковыми молеку­ лами не происходит. Кислотно-основные превращения в моле­ кулах белков, естественно, сопровождаются изменением их кон­ формации, а следовательно, биологические и физиологические функции катиона или аниона белков будут отличаться не толь­ ко друг от друга, но и от функций их молекул.

Взависимости от аминокислотного состава белки подразде­ ляются на "нейтральные" (рI = 5,0 ч- 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 сис­ темы (разд. 8.4).

Таблица 21.3

Значения изоэлектрических точек некоторых белков

Различие в кислотно-основных свойствах белков лежит в осно­ ве разделения и анализа белковых смесей методами электрофореза и ионообменной хроматографии. В постоянном электрическом по­ ле белки обладают электрофоретической подвижностью, причем направление их движения к катоду или аноду зависит от значения pH раствора и рI белка. При pH < рI белок частично находится в форме катиона и перемещается к катоду. При pH > рI белок пере­ мещается к аноду, поскольку частично находится в форме аниона. При pH = рI белок полностью находится в молекулярной форме и под действием электрического поля не перемещается. Электрофо­ ретическая подвижность иона белка зависит от его размера и заря­ да, а также от pH раствора. Подвижность иона будет тем больше, чем больше разница между pH 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

563

функциональные группы: тиольную, имидазольную, гуанидино­ вую, аминогруппу:

— SH < 1 ч> < — NH— CL < — NH2 <— СООН< — ОН

NH2

[ Увеличение жесткости, т.е. уменьшение поляризуемости группы

Вследствие наличия в молекулах белков различных функцио­ нальных групп они образуют комплексные соединения разной устойчивости в зависимости от поляризуемости иона комплексообразователя. С малополяризуемыми (жесткими) катионами К+ и Na+ белки образуют малоустойчивые комплексы, которые в ор­ ганизме выполняют роль ионофоров для катионов или активато­ ров белков как субстратов для тех или иных биохимических процессов. С менее жесткими катионами Mg2+ или Са2+ белки образуют достаточно прочные комплексы. С катионами d-метал­ лов: железа, меди, марганца, цинка, кобальта, молибдена ("ме­ таллы жизни"), достаточно поляризуемыми, т. е. мягкими, бел­ ки образуют прочные комплексы. Однако особенно прочные ком­ плексы они образуют с катионами металлов-токсикантов: свинца, кадмия, ртути и другими, проявляющими высокую поляризуе­ мость, т. е. очень мягкими. Прочные комплексы белков с катио­ нами металлов часто называют металлопротеинами.

Множество ферментов представляют собой хелатные ком­ плексы белка с катионом какого-либо "металла жизни". При этом именно катион комплексообразователя под влиянием белка-ли­ ганда является активным центром фермента, а фрагмент белко­ вой молекулы вблизи этого центра обычно выполняет роль опознавателя и активатора субстрата. Белковый компонент металлофермента часто называют апоферментом.

Все белки при обработке солями меди в щелочной среде об­ разуют хелатный комплекс фиолетового цвета, что является ка­ чественной реакцией на белки, которая называется биуретовой

Эта реакция происходит путем депротонирования пептид­ ных 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 ка­

564

таболизма (распада) в организме. При гидролизе белка реагент - молекула воды - выступает и как нуклеофил за счет ОН- , и как электрофил за счет Н+. Нуклеофильная частица ОНатакует 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 об­ разуются вначале а-аминокислоты и пептиды, а конечными продуктами являются а-аминокислоты.

Гидролитический распад белков протекает в любой клетке организма, точнее, в ее липосомах, где сосредоточены гидроли­ тические 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 осуществ­ ляется в основном целым набором ферментов, каждый из кото­ рых расщепляет ту пептидную связь, которая образована опреде­ ленными аминокислотами. Так, карбоксипептидаза специфиче­ ски отщепляет от белков С-концевую аминокислоту, трипсин гидролизует пептидную связь между аминокислотами с непо­ лярным (гидрофобным) заместителем. Химотрипсин расщепля­ ет пептидную связь, образованную фенилаланином, тирозином, триптофаном с другими аминокислотами. В организме пищевые белки расщепляются полностью, поскольку для жизнедеятель­ ности используются в основном свободные а-аминокислоты.

В лабораторных условиях белки гидролизуются как в кислой, так и в щелочной среде. Однако щелочной гидролиз практически не используется из-за неустойчивости многих а-аминокислот в этих условиях. Обычно полный гидролиз проводят при нагрева­ нии 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. По­ этому 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 орга­ низме она сопряжена с реакцией гидролиза АТФ.

С целью стерилизации объектов (полного освобождения от микроорганизмов) их обрабатывают формальдегидом. Формаль­ дегид как активный электрофил реагирует по свободным ами­ ногруппам белков, образуя их метилольные производные:

565