biohimiyaverstka

мет и гис. К образованию -структуры склонны остатки вал, илей, тре, тир, фен, все остальные – -структуры. Гли, сер, асп, асн, и про имеют отношение к преимущественному образованию неупорядоченных фрагментов полинуклеотидной цепи.

Третичная структура белка. Это способ укладки полипептидной цепи в пространстве. Чтобы белок приобрел присущие ему функциональные свойства, полипептидная цепь должна определенным образом свернуться в пространстве, сформировав функционально активную структуру. Такая структура называется нативной.

Стабилизируют третичную структуру белка взаимодействия, возникающие между боковыми радикалами аминокислотных остатков разных участков полипептидной цепи. Эти взаимодействия (рис. 11) можно разделить на сильные и слабые – полярные (ионные и водородные связи) и неполярные (ван-дер-ваальсовы или гидрофобные).

Рис. 11. Типы взаимодействий, поддерживающих третичную структуру белка:

а– дисульфидная связь; б – водородная связь; в – ионная связь;

г– гидрофобные связи

31

К сильным взаимодействиям относятся ковалентные связи между атомами серы остатков цистеина, стоящих в разных участках полипептидной цепи. Иногда такую связь называют дисульфидными мостиками.

Водородные связи возникают между функциональными группами боковых радикалов аминокислотных остатков. В образовании связи участвуют те аминокислоты, которые имеют гидроксильные, амидные или карбоксильные группы.

Ионные взаимодействия образуются при контакте положительно заряженных групп боковых радикалов лизина, аргинина, гистидина с отрицательно заряженной СО- ОН-группой аспарагиновой и глутаминовой кислот. У аминокислот три радикала несут положительный заряд и два радикала заряжены отрицательно.

Гидрофобные взаимодействия между углеводородными радикалами аминокислотных остатков способствуют формированию гидрофобного ядра внутри белковой глобулы, т. к. углеводородные радикалы стремятся избежать соприкосновения с водой. В стабилизации молекулы за счет этого типа взаимодействия участвуют 8 аминокислот (первый класс – аминокислоты с алифатическими радикалами). Чем больше в составе белка неполярных аминокислот, тем большую роль в формировании его третичной структуры играют ван-дер-ваальсовы связи.

Многочисленные связи между боковыми радикалами аминокислотных остатков определяют пространственную конфигурацию белковой молекулы. Только правильная пространственная укладка делает белок активным.

Третичная структура отдельно взятого белка уникальна, как уникальна и его первичная структура. Различные нарушения третичной структуры приводят к изменению свойств белка и потере биологической активности.

Четвертичная структура белка – представляет собой олигомерную функционально значимую композицию как агрегацию двух или большего числа полипептидных цепей, имеющих третичную структуру.

32

Характерным свойством белков с четвертичной структурой является то, что отдельная их субъединица не обладает биологической активностью.

Стабилизация четвертичной структуры белка происходит за счет полярных взаимодействий между боковыми радикалами аминокислотных остатков, локализованных на поверхности субъединиц, – водородная, ионная, гидрофобная, а иногда и дисульфидная связь между объединенными полипептидными цепями. Такие взаимодействия прочно удерживают субъединицы в виде организованного комплекса. Участки субъединиц, на которых происходят взаимодействия, называются контактными площадками.

Классическим примером белка, имеющего четвертичную структуру, является гемоглобин. Гемоглобин состоит из 4-х субъединиц двух разных типов (цепей) – и (рис. 12). -Субъединица состоит из 141 аминокислотного остатка, а – из 146. Третичная структура - и -субъединиц сходна, как и их молекулярная масса. Каждая субъединица содержит простетическую группу – гем (рис. 13).

Рис. 12. Пространственная структура гемоглобина

Группировка гема представляет собой сложную копланарную циклическую систему, состоящую из центрального атома, который образует координационные связи с четырьмя остатками пиролла, соединенными метиновыми мостиками. В гемоглобине железо обычно находится в состоянии окисления (2+).

33

Рис. 13. Структура гема гемоглобина

1.3.2. Свойства белков

Физико-химические свойства белков зависят от боковых радикалов аминокислотных остатков. Различают химические, физические и биологические свойства белков.

Физические свойства белков. Белки – кристаллические вещества, как правило, белого цвета (есть и окрашенные белки, например гемоглобин), имеющие большую молекулярную массу. С водой белки образуют коллоидные растворы. Растворимость белков в воде определяется их аминокислотным составом, особенностями организации молекулы и свойствами растворителя. Например, альбумины растворимы в воде и в слабых растворах солей, а коллаген и кератины нерастворимы в большинстве растворителей. Стабильность растворам белков придают заряд белковой молекулы и ее гидратная оболочка. рН-сре-

34

да влияет на заряд белка, а следовательно, и на его растворимость. В изоэлектрической точке растворимость белка наименьшая.

Белки способны адсорбировать на своей поверхности низкомолекулярные органические соединения и неорганические ионы. Это свойство предопределяет транспортные функции отдельных белков.

Белковые молекулы проявляют оптическую активность, т. к. состоят из оптически активных L-аминокис- лот.

Химические свойства белков исключительно разнообразны, поскольку боковые радикалы аминокислотных остатков содержат различные функциональные группы (–NH2, –СООН, –ОН, –SH и др.). Характерной для белков реакцией является гидролиз пептидных связей. Гидролиз пептидной связи идет в кислой и щелочной среде и с участием ферментов пептидаз (класс гидролаз). Разрушение вторичной, третичной и четвертичной структур называется денатурацией. Денатурация бывает обратимой, когда разрушаются слабые связи (водородные, ионные, гидрофобные), и необратимой, когда разрушаются прочные связи (ковалентные).

Благодаря наличию и амино-, и карбоксильных групп белки обладают амфотерными свойствами. При строго определенной реакции среды кислотные и основные радикалы белковых молекул нейтрализуются, и молекула становится нейтральной. Эта величина рН получила название изоэлектрической точки.

Биологические свойства белков – это не что иное, как функции белков в организме.

1.3.3. Классификация белков

Ввиду огромного числа белков, функционирующих в живых организмах, существует несколько их класификаций, в основу которых положен какой-либо признак:

35

1. По степени сложности белковой молекулы их делят простые и сложные. Простые (протеины) – однокомпонентные, состоящие только из аминокислот. Сложные (протеиды) – двукомпонентные, в состав которых входят протеин и добавочная группа небелковой природы, называемая простетической.

Протеины – альбумины, глобулины, гистоны, коллагены, кератин и т. п.

Протеиды:

а) нуклеопротеиды – простетическая група – нуклеиновые кислоты. Среди многочисленных классов нуклеопротеидов наиболее изученными являются рибосомы, состоящие из нескольких молекул РНК и рибосомных белков, и хроматин – основной нуклеопротеид эукариотических клеток, состоящий из ДНК и структурообразующих белков – гистонов (содержатся в клеточном ядре и митохондриях);

б) гемопротеиды – небелковый компонент этих протеидов – гем, построен из четырех пиррольных колец, с ними связан ион двухвалентного железа (через атомы азота). К таким белкам относятся: гемоглобин, миоглобин, цитохромы. Этот класс белков еще называют хромопротеиды, поскольку гем является окрашенным соединением. Гемоглобин отвечает за транспорт кислорода: миоглобин – запасание кислорода в мышцах; цитохромы (ферменты) – за катализ окислительно-восстановительных реакций и электронный транспорт в дыхательной цепи;

в) металлопротеиды – в состав простетической группы входят металлы. Хлорофилл – содержит гем, но вместо железа – магний; цитохром a – содержит медь;

г) липопротеиды – содержат липиды, в качестве простетической группы. Эти протеиды входят в состав клеточных мембран;

д) фосфопротеиды – содержат остаток фосфорной кислоты. К фосфопротеидам относят казеин молока, белки куриного яйца (овальбумин и вителлин), ряд ферментов; е) глюкопротеиды – содержат сахара, например муцин

в слюне.

36

2.По форме молекулы белки разделяют на две группы: фибриллярные (нитевидные) и глобулярные (шарообразные). Фибриллярные белки характеризуются высоким отношением их длины к диаметру. Их молекулы волокнистого строения – кератин, коллаген, миозин. На долю кератинов приходится почти весь сухой вес волос, ногтей; коллаген – белок сухожилий, хрящей.

Подавляющее большинство природных белков относится к глобулярным. Для них характерно небольшое отношение длины к диаметру молекулы. Это такие белки, как альбумины, миоглобин, все ферменты.

3.По выполняемым в организме функциям:

структурные белки – белки, образующие волокна, навитые друг на друга или уложенные плоским слоем, выполняют опорную или защитную функцию, скрепляют между собой биологические структуры организмов и придают им прочность.

Главным компонентом хрящей и сухожилий является фибриллярный белок коллаген, имеющий очень высокую прочность на разрыв. Связки содержат эластин – структурный белок, способный растягиваться в двух измерениях. Волосы, ногти и перья состоят почти исключительно из прочного нерастворимого белка кератина. Главным компонентом шелковых нитей и паутины служит белок

фиброин; каталитические белки (ферменты) осуществляют управ-

ляемый катализ большого числа химических реакций, в которых участвуют как низко-, так и высокомолекулярные субстраты. Однако эта функция в 1982 году перестала считаться уникальной. Выяснилось, что некоторые РНК тоже обладают каталитической активностью. Их называют РНКзимами;

транспортные белки – белки, которые специфически связывают и переносят те или другие молекулы и ионы через мембраны клеток (как внутрь клетки, так и наружу), а также от одного органа организма к другому (альбумины, глобулины). Гемоглобин, содержащийся в эрит-

37

роцитах, при прохождении крови через легкие связывает кислород и доставляет его к периферическим тканям, а из клеток удаляет углекислый газ. Плазма крови содержит липопротеины, осуществляющие перенос липидов из печени в другие органы; трансферрин транспортирует железо. В клеточных мембранах присутствуют типы транспортных белков, способных связывать глюкозу, аминокислоты и переносить их внутрь клеток;

сократительные (или двигательные) белки – белки, которые обеспечивают клетку или организм двигательной функцией, способностью сокращаться, изменять форму и передвигаться. Белками с такой функцией являются актин и миозин, представляющие собой нитевидные белки, функционирующие в сократительной системе скелетной мышцы, а также во многих немышечных тканях (филаменты эукариотических клеток). Другим примером таких белков служит тубулин – белок, из которого построены микротрубочки, являющиеся важными элементами ресничек и жгутиков, при помощи которых клетки передвигаются. Длинные клетки нервной системы животных также содержат микротрубочки;

защитные белки защищают организм от вторжения других организмов, предохраняют его от повреждений. Эту функцию выполняют иммуноглобулины (или антитела), способные распознавать чужеродные клетки, проникшие в организм бактерии или вирусы или клетки самого организма, переродившиеся в раковые, а также чужеродные для организма белки, и прочно связываться с ними. Аналогичная защитная функция у фибриногена и тромбина – белков, участвующих в процессе свертывания крови, они предохраняют организм от потери крови при повреждении сосудистой системы.

Белки змеиного яда, бактериальные токсины и токсичные белки растений, например рицин, вероятно, также в определенном смысле можно отнести к белкам, выполняющим защитную функцию;

38

регуляторные белки выполняют функцию регуляции клеточной или физиологической активности. К регуляторным белкам на организменном уровне относятся многие гормоны, такие как инсулин, регулирующий обмен глюкозы, гормон роста (соматропин), синтезируемый в гипофизе, паратиреоидный гормон, регулирующий транспорт ионов кальция и фосфатов, и др. На клеточном уровне эту функцию выполняют белки-репрессоры и белки – активаторы транскрипции;

буферные белки – гемоглобин, белки сыворотки крови, которые обладают амфотерными свойствами. Белки способствуют поддержанию определенных значений рН в разных отсеках клетки. Они начинают проявлять буферное действие, когда в жидкой внутренней среде увеличивается количество кислоты или щелочи. Тогда часть белка (аминокислоты) переходит из изоэлектрического состояния (суммарный заряд молекулы равен нулю) в форму «белок-кислота» или соответственно в форму «белокоснование»;

белки – трансформаторы энергии. Белки сечатки глаза – родопсин и ретинен – трансформируют световую энергию в электрическую, а актино-миозиновые комплексы в мышцах преобразуют энергию химических связей в работу (механическую энергию).

Имеется много других белков, функции которых уникальны, что затрудняет их классификацию. Так, например, монеллин – белок, содержащийся в одном из африканских растений, имеет очень сладкий вкус. Он стал предметом изучения как нетоксичное и не способствующее ожирению вещество, которое может быть использовано вместо сахара. Плазма крови некоторых антарктических рыб содержит белки со свойствами антифриза, предохраняющие кровь этих рыб от замерзания. Шарниры в местах прикрепления крыльев у ряда насекомых состоят из белка резилина, обладающего почти идеальной эластичностью.

39

Вопросы для самоконтроля

1.Какие химические соединения называют белками?

2.Какую структурную формулу имеют аминокислоты?

3.В чем заключается стереоизомерия аминокислот?

4.Какие аминокислоты проявляют амфотерные свойства?

5.Строение и физико-химические свойства природных аминокислот.

6.Перечислите незаменимые аминокислоты.

7.Объясните механизм образования пептидной связи. Каковы особенности этой связи.

8.Охарактеризуйте все виды взаимодействий, стабилизирующих третичную структуру белка.

9.Объясните пространственную конфигурацию белков на примере миоглобина и гемоглобина.

10.Перечислите физико-химические свойства белка.

11.Биологические функции белков.

12.Дайте отличительную характеристику простых и сложных белков.

13.Назовите основные биологические функции сложных белков.

14.Что такое денатурация белков? Каковы причины, ее вызывающие?

15.Приведите классификацию белков, основанную на их биологических функциях.

Основные понятия

Аминокислоты, заменимые аминокислоты, незаменимые аминокислоты, простые белки, сложные белки, первичная структура белка, вторичная структура белка, третичная структура белка, четвертичная структура белка, амфотерность аминокислот, ренатурация белков, изоэлектрическая точка белков.

40