Полезные материалы за все 6 курсов / Ответы к занятиям, экзаменам / Биохимия для чайников

Убелковой основы есть много мест формирования водородных связей.

Укаждого остатка, кроме аминокислоты пролина, есть NH-конец, который может служить донором водородной связи. Также каждый остаток имеет кар- бонильную группу, которая может выступать акцептором водородной связи. Наличие доноров и акцепторов позволяет образовывать многочисленные водо-

родные связи. (Теперь вы понимаете, насколько важными являются внутримо-

лекулярные взаимодействия, особенно водородные связи.)

Пептидные связи не вращаются свободно вокруг углерод-азотной связи вви-

ду образования резонансной формы с двойной связью. Таким образом, основа

представляет планарное соединение из четырех атомов, и почти всегда, атом кислорода переходит к атому водорода. Оставшаяся часть основы может вра-

щаться. Вращение определяет конфигурацию трехмерной структуры белка.

Такое вращение строго ограничено ввиду возможности боковых цепей “ стал-

киваться” друг с другом — этот эффект получил название стерического несо-

ответствия. Жесткость пептидной связи и ограничение на вращение заметно

снижают энтропию трехмерной структуры белка по сравнению со случайной цепью аминокислот. Согласно законам термодинамики снижение энтропии

приводит к стабилизации структуры.

Пример:первичная структура инсулина

Впервые первичная структура белка была выделена у соединения бычьего инсулина. Она имеет вид, подобный показанному на рис. 5.2. Со времени этого знаменательного события первичную структуру определили более чем у 100

тысяч белков.

Gln-Glu-Val-Ile-Gly

Cys S- S

Cys-Ala-Ser-Val-Cys-Ser-Leu-Tyr-GIn-Leu-Glu-Asn-Tyr-Cys-Asn

Вторичная структура:есть

у большинства белков

Давайте вернемся немного назад, снова обратившись к аналогии с жемчуж- ным ожерельем. Его можно обернуть вокруг себя. Это не повлияет на порядок следования жемчужин, но придаст ожерелью совершенно другой вид. То же самое можно проделать с цепочкой аминокислот. Две пептидные связи могут связываться одна с другой с помощью водородной связи, как продемонстриро- вано на рис. 5.3. В случае существования большого количества таких водород-

ных связей белок приобретает вторичную белковую структуру. Водородные связи относятся к внутримолекулярным взаимодействиям в том понимании,

что возникают между участками одной и той же молекулы.

Рис. 5.3. Водородная связь между

двумя пептидными связями

Ко вторичным структурам относятся а-спираль и (3-складка, которые про- являются в процессе формирования водородных связей. Вторичная структура может составлять лишь небольшую часть всей белковой структуры, а может

занимать более 75% ее размера.

а-спираль

В а-спирали (рис. 5.4) первичная структура закручивается в результате продольного загибания, приобретая форму скрученного в пружину стержня. Чаще всего ее представляют в виде закрученной вокруг продольной оси лен- ты. Каждый “ завиток” такой ленты состоит из 3,6 аминокислотных остатков.

Эти завитки возникают вследствие возникновения водородных связей между остатками, расположенными со всех четырех сторон. Каждая пептидная связь принимает участие в двух водородных связях: одна из них устанавливается между сторонней NH-группой и соседней карбонильной группой, а вторая — между соседней NH-группой и сторонней карбонильной группой.

Структурно спирали могут быть как правозакрученными, так и левозакру- ченными (см. глава 3). В базе все известные полипептиды являются правоза-

крученными. В левозакрученной спирали присутствует небольшое простран-

ственное затруднение, которое делает такую структуру менее стабильной. Кератин — белок, входящий в состав меха, волос и ногтей — содержит три

Puc.5.4.Общая структура а-спирали и представление ее в виде

закрученной в спираль ленты

Отдельные аминокислоты дестабилизируют а-спираль. Например, пролин

образует дуги или “изгибы” в первичной структуре,которые подавляют обра- зование водородных связей.Группа остатков изолейцинаразрывает вторичную структуру вследствие пространственного затруднения, причиной которого яв-

ляется большой размер его R-групп. Небольшие R-группы глицина, располо-

женные только со стороны водорода, допускают излишнюю пространствен- ную свободу, обуславливающую дестабилизацию спирали. Наличие остатков

аспарагиновой кислоты и/или глутаминовой кислоты также дестабилизирует

структуру,поскольку отрицательный заряд боковых цепей отталкивает их друг

от друга. Аналогично к дестабилизации спиралиприводят остатки других ами- нокислот — лизина, аргинина, серина и треонина.

Р-складчастая листовая структура

Р-складчатый лист, или просто Р-лист — это еще один распространенный

вид вторичной белковой структуры. Она образуется в результате простран-

ственного разнесения первичной структуры, (в противоположность плотному

P-виток и 0-петля

Остальные вторичные структуре характеризуются возникновением допол- нительных водородных связей между существующими пептидными связями. Такие структуры имеют очень маленький размер. Больше других известны р-завиток (крутой разворот) и О-петля. р-завиток представляет собой резкий

поворот первичной структуры, удерживаемой водородной связью, а О-петля получила название за пространственное сходство с формой одноименной гре-

ческой буквы. Оба формирования наблюдаются на внешней части белковой структуры. Отдельные белки могут включать больше одного вида вторичных структур.

Третичная структура: есть

у многих, но не всех белков

Первичная и вторичная структуры белка, а также связи между боковыми цепями, определяют общую форму белка. Наряду с этим все они дают начало

третичной структуре. (Чтобы понять, как она возникает, представьте оберну-

тое вокруг себя жемчужное ожерелье, которое завязывается в несколько узлов.) Неполярные боковые цепи являются гидрофобными, и несмотря на то, что от- талкиваются от воды, притягиваются друг к другу. Полярные боковые цепи притягивают другие полярные боковые цепи с помощью диполь-дипольных

сил или сил водородного связывания (рис. 5.6).

Например, аспарагиновая и глутаминовая кислоты включают боковые цепи с отрицательным зарядом, которые сильно притягиваются к положительному заряду боковой цепи лизина и аргинина. Два цистеиновых остатка могут свя-

заться с образованием дисульфидной связи, которая будет ковалентной.

Что заставляет белок принимать весьма специфичную третичную струк-

туру? Исследование структуры многих белков указывает на преобладание не-

полярных боковых цепей во внутренней части с множеством полярных или

ионных боковых цепей на внешней части. В водных средах гидрофобные (не-

полярные) группы заставляют белок складываться, пряча гидрофобные группы от воды и оставляя гидрофильные группы рядом с водой. В результате образу-

ется мицеллоподобная структура. Необычайно часто такие образования появ-

ляются в структурных и транспортных белках.

Четвертичная структура:есть

только у некоторых белков

Четвертичная структура, обнаруженная у некоторых белков, появляется

в результате взаимодействий двух или большего количества полипептидных

цепей — взаимодействий, которые обычно дают начало третичной структуре.

Чаще всего они представляются водородными и дисульфидными связями. Чет-

вертичная структура замыкает белковый комплекс в особую геометрическую фигуру. Примером является гемоглобин, у которого есть четыре полипептид-

ных цепи: две одинаковые a-цепи и две одинаковые (3-цепи. (Здесь греческие буквы обозначают две разные полипептидные цепи, субъединицы, и никак не соотносятся с вторичными структурами.)

Анализ белка как исследовательский метод

В предыдущих разделах мы рассматривали разные виды белковых струк-

тур. Теперь давайте попробуем разобраться в том, как биохимики определя-

ют структуры отдельных белков. (Держу пари, в детстве многие из подающих

надежды биохимиков до мельчайших деталей разбирали все свои игрушки и даже кое-что из родительских вещей, чтобы понять, как они устроены. И толь- ко самые толковые из них смогли собрать все обратно!)

Дополнительную информацию о белковой структуре предоставляет имму- нология. В ответ на инородные вещества, известные как антигены, у живот-

ных образуются антитела — белки, легко обнаруживаемые в плазме крови.

Антигены собираются на поверхности эритроцитов или красных кровяных