Слесарев. Основы Химии живого

ется пептидной (амидной) связью. Вследствие сильного взаимо­ действия неподеленной электронной пары, локализованной на р-орбитали атома азота, с я-электронами связи С=0 для пеп­ тидной группы характерна трехцентровая р,я-сопряженная делокализованная система. Следовательно, пептидная связь имеет частично двойной характер - меньшую длину (0,132 нм вместо 0,147 нм) и сильно заторможенное вращение вокруг данной свя­ зи. Поэтому для пептидной группы в целом характерна пла­ нарная транс-структура с трансоидной конформацией в распо­ ложении заместителей R аминокислотных остатков:

R

г

/н Ч у х > - Г

/ f^C —N0>* /

R

Таким образом, при образовании пептидной связи атом азо­ та а-аминокислот из зр3-состояния переходит в «р2-состояние, а его заместители R H R ' B пептидах наиболее удалены друг от друга, что важно для стабилизации структуры молекул пепти­ дов и белков.

Пептиды представляют собой цепь, на одном конце которой находится аминокислота со свободной аминогруппой, называе­ мой N-концом, а на другом - аминокислота со свободной карбок­ сильной группой, называемой С-концом. Формулы пептидов при­ нято записывать, начиная с N-конца. Названия пептидов скла­ дываются из последовательного перечисления аминокислотных остатков с N-конца с добавлением суффикса -ил, а для послед­ ней С-концевой аминокислоты сохраняется ее полное название. Для сокращенной записи состава пептида используются трех­ буквенные обозначения его аминокислот:

у-глутамилцистеинилглицин; сокращенная запись: у-глу—цис —гли

Для пептидов принято записывать концевые группы неионизованными, хотя в действительности в водных растворах они, конечно, ионизованы и на N-конце находится аммонийная группа, проявляющая кислотные свойства, а на С-конце - иони­ зованная карбоксильная группа, проявляющая основные свой­ ства. Это особенно принципиально при рассмотрении кислотно­ основных свойств пептидов, аналогичных кислотно-основным свойствам аминокислот и белков (разд. 8.3; 21.2.1).

В отличие от белков, природные пептиды довольно часто включают а-аминокислоты D-ряда или аминокислоты, не вхо­

551

дящие в 2 0 важнейших, или даже а-гидроксикарбоновые кисло­ ты. Пептиды содержатся во всех живых организмах, проявляя и выполняя различные биологические и физиологические функ­ ции. Пептидами являются многие антибиотики, гормоны, токси­ ны. В то же время с химических позиций они могут проявлять свойства кислотно-основных буферных систем, ионофоров, анти­ оксидантов.

Кислотно-основные свойства. Пептиды, подобно аминокис­ лотам, являются амфолитами и в водных растворах могут на­ ходиться в зависимости от pH преимущественно в виде катио­ нов (pH < р/), молекул (pH —рI) и анионов (pH > р/). При этом в организме кислотно-основные превращения пептидов проис­ ходят главным образом за счет заместителя (—RH), который может проявлять или основные, или кислотные свойства. По­ этому наиболее вероятные кислотно-основные превращения пеп­ тидов можно представить обобщенной схемой:

На основе этих кислотно-основных превращений в организ­ ме действуют пептидные буферные системы. Они состоят из ка­ тионной сопряженной кислотно-основной пары, где донором протона является катион, а акцептором протона - молекула пептида. В качестве буферной системы наиболее эффективен пептид, для которого pH данной биологической системы нахо­ дится между значениями его рI и pJTa(R), т. е. рI < pH < pJTa(R). В этих случаях в растворе концентрации донора протона и ак­ цептора протона не будут сильно отличаться друг от друга и, следовательно, буферная емкость данной системы и по кислоте, и по основанию будет значительна. Именно поэтому считают, что в мышцах животных и человека дипептиды карнозин и анев­ рин, состоящие из (i-аланина и гистидина или его N-метилпро- изводного соответственно, проявляют буферные свойства. По­ скольку у имидазольного заместителя, проявляющего основные свойства, рКа « 6 ,0 , что близко физиологическому значению pH ® 7 многих клеток и тканей, то в этом случае pH поддержи­ вает катионная сопряженная кислотно-основная пара, состоя­ щая из катиона и молекулы этих пептидов.

Комплексообразующие свойства. Многие пептиды, высту­ пая как полидентатные лиганды, являются эффективными комплексонами (разд. 1 0 .1 ), образующими комплексы различной ус­ тойчивости. Особое внимание обратим на пептиды валиномицин

552

и грамицидин S: они не только антибиотики, но одновременно ионофоры, с помощью которых транспортируются через клеточ­ ные мембраны катионы К+ и Na+ (разд. 10.4).

Циклическая молекула валиномицина напоминает "бублик”, у которого внутренняя поверхность полярная, а полость соответству­ ет по размеру катиону К+. Внешняя поверхность этого ”бублика” гидрофобна. Поэтому валиномицин, взаимодействуя с катионом К+ и забирая его во внутреннюю полость, легко переносит катион че­ рез гидрофобный слой мембраны благодаря гидрофобности своей внешней оболочки. С катионами Na+, размеры которых меньше, чем у К+, валиномицин практически не взаимодействует.

Другой циклический пептид грамицидин S, состоящий из 10 аминокислотных остатков, имеет форму трубки, которая пе­ ресекает мембрану. Наружная поверхность этой трубки гидро­ фобна, а внутренняя - полярна, по ней происходит перенос од­ нозарядных катионов: Na+, К+ и других, - но предпочтительно

катионов Na+.

Окислительно-восстановительные свойства, В клетках жи­ вотных, растений и бактериях содержится трипептид-глутатион GSH. Глутатион за счет наличия цистеина активно участвует в окислительно-восстановительных реакциях, обратимо переходя из восстановленной формы GSH в окисленную GS-SG и наобо­ рот (разд. 9.3.9), представляя собой, подобно цистеину, сопря­ женную восстановительно-окислительную систему.

Восстановленная форма глутатиона GSH выполняет роль анти­ оксиданта, нейтрализуя в клетке активные формы кислорода и защищая от них другие белки. В то же время его окисленная фор­ ма GS-H3G защищает биосубстраты клетки от радикальных частиц восстановителей. Таким образом, обе формы глутатиона образуют важную равновесную тиол-дисульфидную систему, поддерживаю­ щую окислительно-восстановительный гомеостаз в клетке.

Биологические и физиологические функции. Многие пепти­ ды являются гормонами и регулируют протекание определенных процессов в организме. Наиболее простые гормоны, состоящие из 9 аминокислотных остатков, - окситоцин и вазопрессин. Окситоцин встречается только у женских особей, вызывая сокраще­ ние мышечных волокон молочных желез и мускулатуры матки. Вазопрессин содержится и в женском, и в мужском организме,

553

регулируя минеральный обмен и водный баланс. Кроме того, вазопрессин является мощным стимулятором запоминания. Большую роль в поддержании уровня сахара в крови выполняет гормон инсулин, вырабатываемый поджелудочной железой. Он содержит 51 аминокислотный остаток и состоит из двух пептидных цепей, соединенных между собой двумя дисульфидными мостиками.

Около 150 пептидов, называемых нейропептидами, содер­ жатся в головном мозге, где они выполняют различные биоло­ гические и физиологические функции. В то же время многие нейротоксины ядовитых грибов, пчел, змей, скорпионов и мор­ ских рыб имеют пептидно-белковую природу. Химические свой­ ства пептидов и особенно их биологические и физиологические функции зависят не только от числа и последовательности ами­ нокислотных остатков в цепи, но и от конформации цепи в рас­ творе, что сближает по свойствам полипептиды и белки.

2 1 .4 . СТРУКТУРА И СВОЙ СТВА БЕЛКОВ

Белки, или цротеины, в живых организмах образуются в основном из 20 важнейших природных а-аминокислот в ре­ зультате реакции поликонденсации в присутствии ферментов. Молекулярные массы белков варьируют в очень широких пре­ делах: от 10 ООО до 1 ООО ООО и выше.

общая формула белка

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

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

Конформации макромолекулы белка в растворе представ­ ляют собой различные ее пространственные формы, воз­ никающие в результате поворотов отдельных молекуляр­ ных фрагментов вокруг ординарных связей и стабили­ зирующиеся за счет межмолекулярных связей между отдельными группами данной макромолекулы или молеку­ лами веществ, находящимися в окружающем растворе.

554

Взаимные переходы конформаций в основном осуществляют­ ся без разрыва ковалентных связей в макромолекуле белка. При описании состава и конформации белка используют понятия пер­ вичная, вторичная, третичная и четвертичная структуры.

Первичная структура специфична для индивидуального бел­ ка и определяется составом и последовательностью аминокислот­ ных остатков его цепи. При написании полных формул белков указывают порядок следования друг за другом аминокислотных остатков с помощью их трехбуквенных обозначений, начиная с N-конца цепи. Представление о первичной структуре миоглобина человека, содержащего в молекуле всего 163 аминокислот­ ных остатка, дает следующая сокращенная запись:

1 2 3 4 5 6 7 Г 139 1 147 148 149 160 161 152153

гли-лей-сер-асп-гли-глу-три- аминокислотных -ли'г-глу-лей-гли-фен-глн-гли I остатков J

Строго линейное расположение полипептидной цепи энергети­ чески не выгодно, так как оно практически исключает взаимодей­ ствия между различными радикалами аминокислотных остатков. В результате именно таких взаимодействий возникают дополни­ тельные связи, которые стабилизируют ту или иную конформацию белковой цепи в пространстве. Эго происходит за счет следующих взаимодействий: ион-ионного взаимодействия; водородной связи; гидратации полярных групп; дисульфидной связи; взаимодейст­ вий Ван-дер-Ваалъса между неполярными заместителями; гидро­ фобных взаимодействий, в результате которых выталкиваются молекулы воды из зоны взаимодействия неполярных заместителей между собой, а также донорно-акцепторной связи между ионом комплексообразователя и лигандными группами белка (рис. 21.3).

Вторичная структура белка характеризует форму полипеп­ тидной цепи, которая может быть спиралевидной (а-структура)9 складчатой ((3-структура) или неупорядоченной (рис. 21.4). Основ­ ную роль в формировании и поддержании вторичной структуры

полярных групп

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

555

Рис. 21.4. Вторичная структура белков:

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

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

группами хребта полипептидной цепи.

Пространственное расположение ot-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 а- 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 белкрвой 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 ООО 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 мио­ глобина (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 (5-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 10-9-10“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 за щ и т н ы х 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 липопротеинами. 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).

(&£- л г-н I

Рис. 21.6. Мицелла липопротеина

560