3.5.2. Классификация белков

Добавил:

Ozzii05 asman00000@mail.ru Работаю на МРТ, учусь на стоматолога,делитесь со мной файлами в ТГ ozzii05 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Медицинский Университет "РЕАВИЗ"

Предмет:

Биология

Файл:

Тейлор, Грин, Стаут 1 том [2013].pdf

Скачиваний:

Добавлен:

05.09.2026

Размер:

28 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1314 / 4614 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 > Следующая >>>

130 Глава 3

Таблица 3.6. Молекулярные характеристики некоторых белков

Белок Молекулярная Число Число

Рибонуклеаза 12 640 124 1 Лизоцим 13 930 129 1 Миоглобин 16 890 153 1 Гемоглобин 64 500 574 4 ВТМ (вирус

табачной мозаики) ~40 000 000 ~336 500 2130

Наиболее крупные белковые молекулы находят у вирусов, для которых молекулярные массы, превышающие 40 000 000, — ве

личины вполне обычные.

3.5.2. Классификация белков

Сложность строения белковых молекул и чрез вычайное разнообразие их функций крайне за трудняют создание единой четкой классифика

масса

аминокислотных полипептидных остатков цепей

ции белков на какойлибо одной основе. В табл.

3.7–3.9 приведены три разные классификации белков, основанные на различных их характери стиках.

Таблица 3.7. Классификация белков по их структуре

Класс белков Характеристика Функция

Фибриллярные

Глобулярные

Промежуточные

Наиболее важна вторичная структура (третичная почти или совсем не выра жена)

Нерастворимы в воде Отличаются большой механической

прочностью Длинные параллельные полипептидные

цепи, скрепленные друг с другом попе речными сшивками, образуют длинные волокна или слоистые структуры

Наиболее важна третичная структура Полипептидные цепи свернуты в ком

пактные глобулы Растворимы — легко образуют коллоид

ные суспензии

Фибриллярной природы, но раствори мые

Выполняют в клетках и в организме структурные функции. К этой группе от носятся, например, коллаген (сухожилия, кости, соединительная ткань), миозин (мышцы), фиброин (шелк, паутина), кера тин (волосы, рога, ногти, перья)

Выполняют функции ферментов, антител и в некоторых случаях гормонов (напри мер, инсулин), а также ряд других важных функций

Примером может служить фибриноген, превращающийся в нерастворимый фиб рин при свертывании крови

Химические компоненты живого 131

Таблица 3.8. Классификация белков по их составу

Белки

Простые Сложные

Состоят только из аминокислот Состоят из глобулярных белков и небелкового (см. табл. 3.7 и 3.9) материала. Небелковую часть сложного белка

называют простетической группой

Сложные белки

Название Простетическая группа Пример

Фосфопротеины Фосфорная кислота Казеин молока

Гликопротеины Углевод Компоненты мембран

Нуклеопротеины Нуклеиновая кислота Компоненты вирусов

Хромопротеины Пигмент Гемоглобин — гем (железосодержащий пигмент)

Липопротеины Липид Компоненты мембран

Флавопротеины ФАД Компонент цепи переноса электронов при дыхании

(флавинадениндинуклеотид; см. разд. 9.3.5)

Металлопротеины Металл Нитратредуктаза — фермент, катализирующий в

Вителлин яичного желтка

Муцин (компонент слюны)

Хромосомы Рибосомы

Фитохром (пигмент растительного происхождения) Цитохром (дыхательный пигмент)

Липопротеины крови — транспортная форма липидов

растениях превращение нитрата в нитрит

Таблица 3.9. Классификация белков по их функциям. Белки играют важную роль также в мембранах, где они функционируют как ферменты, рецепторы и транспортные белки

Класс белков Примеры Локализация/функция

Структурные белки

Ферменты

Коллаген

Кератин Эластин Белки оболочки вирусов

Трипсин Рибулозобисфосфаткарбоксилаза

Глутаминсинтетаза

Компонент соединительной ткани, костей, су хожилий, хряща

Кожа, перья, ногти, волосы, рога Эластическая соединительная ткань (связки) «Обертка» нуклеиновой кислоты вируса

Катализирует гидролиз белков Катализирует карбоксилирование (присоеди

нение CO тезе

Катализирует образование аминокислоты глу тамина из глутаминовой кислоты и аммиака

) рибулозобисфосфата при фотосин

132 Глава 3

Таблица 3.9. Продолжение

Класс белков Примеры Локализация/функция

Гормоны

Дыхательные пигменты

Защитные белки

Сократительные белки

Запасные белки

Токсины

Инсулин Глюкагон

АКТГ

Гемоглобин Миоглобин

Сывороточный альбуминТранспортные белки

Антитела

Фибриноген

Тромбин

Миозин

Актин

Яичный альбумин Казеин

Змеиный яд Дифтерийный токсин

}

3.5.3. Структура белков

Каждому белку свойственна своя особая геомет рическая форма, или конформация. Для описания трехмерной структуры белков рассматривают обычно четыре уровня организации, которые мы здесь и опишем.

Первичная структура

Под первичной структурой понимают последова тельность аминокислот в полипептидной цепи. Первым исследователем, определившим амино кислотную последовательность молекулы белка, был Фред Сэнгер (Fred Sanger), работавший в Ка вендишской лаборатории Кембриджского уни верситета, той самой, где Уотсон и Крик опреде лили структуру ДНК. Сэнгер работал с гормоном инсулином — самым маленьким белком, какой ему удалось найти. Работа заняла 10 лет и резуль таты ее были опубликованы в 1953 г. (рис. 3.28). Другой выдающийся молекулярный биолог из Кавендиша, Макс Перуц (Max Perutz), вспоми

Регулируют обмен глюкозы

Стимулирует рост и активность коры надпо чечников

Переносит O Служит для запасания O

Служит для транспорта жирных кислот и липи дов в крови

Образуют комплексы с чужеродными белками Предшественник фибрина при свертывании

крови Участвует в процессе свертывания крови

Подвижные нити миофибрилл саркомера

Неподвижные нити миофибрилл саркомера

Белок яйца Белок молока

Ферменты

Токсин, вырабатываемый дифтерийной палоч кой

в крови позвоночных

в мышцах

нал: «открытие это явилось сенсацией, ибо в пер вый раз было показано, что аминокислоты в по липептидных цепях белка располагаются совер шенно определенным образом». В 1958 г. Сэнгер за эту работу был удостоен Нобелевской премии (вторую Нобелевскую примию он получил за изучение структуры нуклеиновых кислот). В мо лекулу инсулина входит 51 аминокислота. Моле кула состоит из двух полипептидных цепей, удер живаемых вместе дисульфидными мостиками.

В настоящее время большая часть работ по определению аминокислотных последователь ностей автоматизирована, и теперь первичная структура известна уже более, чем для сотни ты сяч белков. На рисунке 3.29 изображена первич ная структура еще одного белка — фермента ли зоцима. Таблица 3.6 дает представление о числе аминокислотных остатков в молекулах некото рых белков.

В организме человека тысячи различных бел ков, и все они построены из одних и тех же 20 стандартных аминокислот. Аминокислотная по следовательность белка определяет его биологи

Химические компоненты живого 133

Рис. 3.29. Первичная структура лизоцима. Лизоцим — это фермент, обнаруженный во многих тканях и сек ретах человеческого тела, в растениях и яичном белке. Этот фермент катализирует разрушение клеточных стенок бактерий. Молекула лизоцима состоит из од ной полипептидной цепи, в которую входят 129 ами нокислотных остатков. В молекуле имеется четыре внутрицепочечных дисульфидных мостика.

последовательностей гомологичных белков, принадлежащих разным биологическим видам; такие данные позволяют судить о возможном таксономическом родстве между этими видами. Вопрос этот будет обсуждаться в гл. 26.

Рис. 3.28. Первичная структура (аминокислотная последователь ность) инсулина. Молекула состо ит из двух полипептидных цепей, удерживаемых вместе двумя ди сульфидными мостиками.

ческую функцию. В свою очередь эта аминокис лотная последовательность определяется нук леотидной последовательностью ДНК (гл. 23). Замена однойединственной аминокислоты в молекуле данного белка может резко изме нить его функцию, как это наблюдается, напри мер, при так называемой серповидноклеточной анемии (гл. 25). Интересные данные могут быть получены в результате анализа аминокислотных

3.12. а) Напишите аминокислотные последовательности всех трипептидов, которые можно построить из двух разных аминокислот А и В.

б) Исходя из того, что у вас при этом

получилось, составьте формулу для определения числа различных трипептидов, которые могут быть построены из двух разных аминокислот.

в) Сколько полипептидов длиной

в 100 аминокислотных остатков можно построить из двух разных аминокислот?

г) Сколько полипептидов длиной

в 100 аминокислотных остатков (а это сравнительно небольшой белок) можно построить из всех 20 стандартных аминокислот?

д) Сколько пептидов или полипептидов

(заданной длины) можно построить из всех 20 стандартных аминокислот?

134 Глава 3

Вторичная структура

Для всякого белка характерна, помимо первич ной, еще и определенная вторичная структура. Обычно белковая молекула напоминает растя нутую пружину. Это так называемая

Dспираль,

стабилизируемая множеством водородных свя зей, возникающих между находящимися побли зости друг от друга CO и NHгруппами. Атом водорода NHгруппы одной аминокислоты об разует такую связь с атомом кислорода COгруп пы другой аминокислоты, отстоящей от первой

Рис. 3.30. Структура Dспирали. А. Показаны только

атомы углерода. Соединяющая их линия описывает

спираль. Б. Модель Dспирали из стержней и шари ков. В. Часть стабилизируется водородными связями. Г. представленная в виде ленты.

спирали в растянутом виде. Спираль

Спираль,

на четыре аминокислотных остатка (рис. 3.30). Таким образом аминокислота 1 оказывается свя занной с аминокислотой 5, аминокислота 2 — с аминокислотой 6 и т. д. Рентгеноструктурный анализ показывает, что на один виток спирали приходится 3,6 аминокислотного остатка.

Полностью Dспиральную конформацию и, следовательно, фибриллярную структуру имеет белок кератин. Это структурный белок волос, шерсти, ногтей, клюва, перьев и рогов, входя щий также в состав кожи позвоночных. Твер дость и растяжимость кератина варьируют в за висимости от числа дисульфидных мостиков между соседними полипептидными цепями (от степени сшивки цепей).

Теоретически все CO и NHгруппы могут участвовать в образовании водородных связей, так что

Dспираль — это очень устойчивая, а по

тому и весьма распространенная конформация. Участки

Dспирали в молекуле напоминают

жесткие стержни. Тем не менее большинство белков существует в глобулярной форме, в кото рой также имеются участки Eслоя (см. ниже) и участки с нерегулярной структурой. Объясняет ся это тем, что образованию водородных связей препятствует ряд факторов: наличие некоторых аминокислотных остатков в полипептидной цепи, наличие дисульфидных мостиков между различными участками одной и той же цепи и, наконец, тот факт, что аминокислота пролин вообще неспособна образовывать водородные связи.

EСлой, или складчатый слой — это другой тип вторичной структуры. Белок шелка фиброин, выделяемый шелкоотделительными железами гусениц шелкопряда при завивке коконов, пред ставлен целиком именно этой формой. Фиброин состоит из ряда полипептидных цепей, вытяну тых сильнее, чем цепи с конформацией

Dспира

ли. Эти цепи уложены параллельно, но соседние цепи по своему направлению противоположны одна другой (антипараллельны; рис. 3.31). Они соединены друг с другом при помощи водород ных связей, возникающих между CO и NH группами соседних цепей. В этом случае в обра зовании водородных связей также принимают участие все NH и COгруппы, т. е. структура тоже весьма стабильна. Такая конформация полипептидных цепей называется Eконформа цией, а структура в целом — складчатым слоем. Фиброин обладает высокой прочностью на

Химические компоненты живого 135

Рис. 3.31.EСлой, или складчатый слой. Цепи уложены

параллельно и удерживаются в этом положении водо родными связями между CO и NHгруппами соседних цепей. Боковые группы (R) не показаны. Они распола гаются под и над плоскостью складчатого слоя.

разрыв и не поддается растяжению, но подобная организация полипептидных цепей делает шелк очень гибким. В глобулярных белках полипеп тидная цепь может складываться на себя, и тогда в этих точках глобулы возникают участки, име ющие структуру складчатого слоя.

Еще один способ организации полипептид ных цепей мы находим у фибриллярного белка коллагена. Это тоже структурный белок, облада ющий подобно кератину и фиброину высокой прочностью на разрыв. У коллагена три поли пептидные цепи свиты вместе, как пряди в кана те, образуя тройную спираль. В каждой полипеп тидной цепи этой сложной спирали, называемой тропоколлагеном, содержится около 1000 амино кислотных остатков. Отдельная полипептидная цепь представляет собой свободно свернутую

спираль (но не удерживаются вместе водородными связями. Из многих тройных спиралей, располагающихся параллельно друг другу и удерживаемых вместе ковалентными связями между соседними цепя ми, образуются фибриллы. Они в свою очередь

спираль; рис. 3.32). Три цепи

136 Глава 3

Рис. 3.32. Трехспиральная структура коллагена.

объединяются в волокна. Структура коллагена формируется, таким образом, поэтапно — на не скольких уровнях — подобно структуре целлю лозы. Коллаген также невозможно растянуть, и это его свойство существенно для той функции, которую он выполняет, например, в сухожилиях, костях и других видах соединительной ткани. Белки, существующие только в полностью спи рализованной форме, подобно кератину и кол лагену, представляют собой исключение среди прочих белков.

Третичная структура

У большинства белков полипептидные цепи свернуты особым образом в компактную глобу лу. Способ свертывания полипептидных цепей глобулярных белков называется третичной струк турой. Третичная структура поддерживается уже обсуждавшимися выше связями трех типов — ионными, водородными и дисульфидными, а также гидрофобными взаимодействиями (рис. 3.33). В количественном отношении наи более важны именно гидрофобные взаимодейст

Рис. 3.33. Связи, стабилизирующие вторичную и тре тичную структуры белков. Для поддержания струк туры особенно важны гидрофобные взаимодействия (объединения неполярных молекул или отдельных час тей молекул), позволяющие исключить молекулы воды, что очень существенно, например, для мембран, учи тывая водное окружение клетки.

вия; белок при этом свертывается таким обра зом, чтобы его гидрофобные боковые цепи были скрыты внутри молекулы, а гидрофильные, нао борот, выставлены наружу.

Для определения третичной структуры белка можно использовать метод рентгеновского ана лиза. В результате исследований, растянувшихся на несколько лет, Джон Кендрью и Макс Перуц (Kendrew, Perutz) к началу 1959 г. определили этим методом вторичную и третичную структуру миоглобина и предложили модель его молекулы (рис. 3.34). За эту работу в 1962 г. они были удо стоены Нобелевской премии. Теперь для мио глобина были известны:

первичная структура — молекула представляет

собой одну полипеп тидную цепь, построен ную из 153 аминокис лотных остатков (их по следовательность была установлена в начале 60х годов);

вторичная структура — около 75% цепи имеет

Dспиральную конфор мацию (восемь спи ральных участков);

третичная структура — Dспираль свернута не

регулярным образом в компактную глобулу;

простетическая группа — гемогруппа, или гем (со

держит железо).

Миоглобин синтезируется в мышцах, где он служит для запасания кислорода. Как и в гемо глобине, кислород в его молекуле связывается с гемом; от гема зависит красный цвет мышц. Подробнее о функциях миоглобина мы будем говорить в гл. 14. Определение третичной струк туры белков все еще остается весьма трудоемким процессом. В последнее время в молекулярной биологии все больше усилий затрачивается на попытки использовать компьютеры и прочую технику, которая позволила бы предсказывать третичную структуру белка исходя из его уже из вестной первичной и вторичной структуры. Это открыло бы возможности для конструирования белков с определенной структурой, предназна ченных для определенных функций, что могло бы сыграть очень важную роль и в промышлен ности, и в медицине.

На рис. 3.34 представлено несколько спосо бов изображения третичной структуры белка. Еще один способ показан на рис. 3.35. У белков

Рис. 3.34. А. Первичная структура миоглобина. Б. Рент генограмма миоглобина (из мышц кашалота). Регулярное расположение пятен есть результат рассеяния (дифрак ции) падающего на фотопленку рентгеновского излуче ния вследствие его взаимодействия с атомами миоглоби на в кристалле. Фотография — это двумерное сечение трехмерного расположения дифракционных пятен. По распределению и интенсивности дифракционных пятен определяют положение отдельных атомов в молекуле. (По J. G. Kendrew, Sciеntific American, December, 1961.) В. Конформация миоглобина, установленная на основе рентгеновского анализа с высоким разрешением. Восемь участков плоского диска. Г. Еще один способ изображения трех мерной структуры белков. На этой схеме, созданной с помощью компьютера, участки миоглобина представлены в виде цилиндров (видно, что таких участков восемь). Представленная модель изобра жает гем, который удерживают на месте две амино кислоты (маленькие белые шарики).

спирали окружают гем, имеющий форму

спирали в молекуле

138 Глава 3

Рис. 3.34. (Продолжение) Д. Модель миоглобина из стержней и шариков.

с третичной структурой функция теснейшим об разом зависит от точной формы молекулы. В этом особенно легко убедиться при знакомст ве с ферментами (разд. 4.1.2).

Четвертичная структура

Многие белки с особо сложным строением со стоят из нескольких полипептидных цепей, удерживаемых в молекуле вместе за счет гидро фобных взаимодействий, а также при помощи водородных и ионных связей. Способ совмест ной упаковки и укладки этих полипептидных цепей называют четвертичной структурой белка. Четвертичная структура имеется, например, у

Рис. 3.35. Третичная структура лизоцима. Стрелками обозначены участки со структурой витки — участки, имеющие структуру Остальная часть молекулы изображена в виде изви той ленты, а четыре дисульфидных мостика — в виде четырех зигзагов (см. рис. 3.29).

слоя. Регулярные

спирали.

гемоглобина — красного пигмента, содержаще гося в эритроцих позвоночных, связывающего и переносящего кислород. Молекула гемоглоби на состоит из четырех отдельных полипептид ных цепей двух разных типов: из двух и двух Eцепей. Цепи эти по своему строению

Dцепей

Рис. 3.36. Структура гемоглобина. Молекула состоит из четырех полипептидных цепей: двух

цепей. С каждой цепью связана одна группа гема, к которой присоединяется молекула кислорода. Гемо глобин — пример белка, состоящего из отдельных субъ единиц, т. е. обладающего четвертичной структурой.

напоминают полипептидную цепь миоглобина.

Dцепи содержат по 141 аминокислотному

Две остатку, а две Eцепи — по 146 остатков. Полную структуру гемоглобина определили Кендрью и Перуц. В схематическом виде она представлена на рис. 3.36.

Как и у других глобулярных белков, гидро фобные боковые цепи гемоглобина скрыты внутри молекулы, а гидрофильные выставлены наружу, что делает гемоглобин растворимым в воде. Мутация, вызывающая замену одной из гидрофильных аминокислот на гидрофобную и тем самым снижающая растворимость гемогло бина, служит причиной болезни, известной как серповидноклеточная анемия (гл. 25).

Некоторые вирусы, например вирус табач ной мозаики, имеют белковую оболочку, состоя щую из многих полипептидных цепей, упако ванных высокоупорядоченным образом (см. рис. 2.18).

цепей и двух

3.5.4. Денатурация и ренатурация белков

Химические компоненты живого 139

НАГРЕВАНИЕ ИЛИ ИЗЛУЧЕНИЯ, например инфрак

расное или ультрафиолетовое. Кинетическая энергия, сообщаемая белку, вызывает вибрацию его атомов, вследствие чего слабые водородные и ионные связи разрываются, и белок свертывает ся (коагулирует).

СИЛЬНЫЕ КИСЛОТЫ, СИЛЬНЫЕ ЩЕЛОЧИ И КОНЦЕНТРИРО-

ВАННЫЕ РАСТВОРЫ СОЛЕЙ

гентов ионные связи разрываются и белок коагу лирует. Длительное воздействие реагента может вызвать разрыв и пептидных связей.

ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ. Положительно заряженные

ионы тяжелых металлов (катионы) образуют прочные связи с отрицательно заряженными карбоксиланионами Rгрупп белка и часто вызывают разрывы ионных связей. Они также снижают электрическую поляризацию белка, уменьшая его растворимость. Вследствие этого находящийся в растворе белок выпадает в оса док.

ОРГАНИЧЕСКИЕ РАСТВОРИТЕЛИ И ДЕТЕРГЕНТЫ. Эти ре

агенты нарушают гидрофобные взаимодействия и образуют связи с гидрофобными (неполярны ми) группами. В результате разрываются и внут римолекулярные водородные связи. Использо вание спирта в качестве дезинфицирующего средства основано именно на том, что он вызы вает денатурацию белка любых присутствующих бактерий.

. Под действием этих реа

Ренатурация

Иногда денатурированный белок в подходящих условиях вновь спонтанно приобретает свою на тивную структуру. Этот процесс называется рена турацией. Ренатурация убедительно показывает, что третичная структура белка полностью опре деляется его первичной структурой и что сборка биологических объектов может осуществляться на основе немногих общих принципов.

Под денатурацией понимают утрату трехмерной конформации, присущей данной белковой моле куле. Это изменение может носить временный или постоянный характер, но и в том, и в другом случае аминокислотная последовательность бел ка остается неизменной. При денатурации моле кула развертывается и теряет способность выпол нять свою обычную биологическую функцию. Вызывать денатурацию белков могут разнообраз ные факторы, перечисленные ниже.

3.6. ДНК и РНК — нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты, как и белки, необходимы для жизни. Они представляют собой генетиче ский материал всех живых организмов вплоть до самых простых вирусов. Название «нуклеиновые кислоты» отражает тот факт, что локализуются они главным образом в ядре (nucleus — ядро). При специфическом окрашивании на нуклеино

<<< < Предыдущая 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1314 / 4614 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете Биология

#
05.09.202611 Мб0biology-aseev конспекты).pdf
#
05.09.2026344 Кб0вопросы к экзамену_БИОЛОГИЯ.pdf
#
05.09.202628 Мб0Тейлор, Грин, Стаут 1 том [2013].pdf
#
05.09.202619 Мб0Тейлор, Грин, Стаут 2 том [2013].pdf
#
05.09.202619 Мб0Тейлор, Грин, Стаут 3 том [2013].pdf