Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
БХ учебник Николаев.pdf
Скачиваний:
571
Добавлен:
02.05.2015
Размер:
15.53 Mб
Скачать

3 4

Часть I. Строение информационных молекул и матричные биосинтезы

Доменная структура белков

Длинные полипептидные цепи (длиной около 200 аминокислотных остатков или больше) обычно имеют доменную пространственную структуру. Доменом называ­ ют часть пептидной цепи, образующей как бы самостоятельную глобулу, причем на одной пептидной цепи может быть два или больше доменов. Домены в одном белке могут быть одинаковыми или различными как по структуре, так и по функ­ ции. Часто домен по своей структуре и свойствам сходен с отдельным глобуляр­ ным белком. На рис. 1.17, б представлена молекула, в которой два крупных, четко различимых домена.

Супервторичные структуры белков

Нередко в белках, различающихся по структуре и функции, встречаются однотип­ ные сочетания а- и P-структур (структурные мотивы), обозначаемые как супервторичная структура. На рис. 1.18, а представлен домен молекулы фермента пируваткиназы, имеющий супервторичную структуру типа бочонка (она есть и в некоторых других белках). В этом домене 8 а-спиральных участков образуют «бочонок», внут­ ри которого находятся 8 Р-структурных участков. Многие ферменты содержат до­ мен, в центре которого расположены Р-структурные участки в виде скрученного листа, и а-спирали, расположенные по периферии домена (рис. 1.18, 6). Характер­ ные супервторичные структуры имеются в белках, связывающихся с ДНК (см. гл. 4).

Рис. 1.18. Супервторичная структура:

а — структура типа бочонка в одном из доменов пируваткиназы; б — скрученный p-слой и а-спирали, расположенные по периферии

Изменения конформации белковых молекул

Белковая глобула не является абсолютно жесткой структурой: в известных преде­ лах возможны обратимые перемещения частей пептидной цепи относительно друг друга с разрывом небольшого числа слабых связей и образованием новых. Молекула в растворе как бы пульсирует в разных своих частях. Эти изменения можно рассматривать как тепловое (броуновское) движение отдельных участ­ ков пептидной цепи. Они не нарушают основного плана конформации молекулы,

3 5
Рис. 1.19. Кооперативное изменение формы мяча

Глава I. Строение, свойства и функции белков

подобно тому, как тепловые колебания атомов в крис­ талле не изменяют структуру кристалла, если темпера­ тура не настолько велика, что наступает плавление.

Небольшие изменения конформации белковых мо­ лекул происходят и при взаимодействии их с другими молекулами. Например, конформация гемоглобина с присоединенным к нему кислородом немного отлича­ ется от конформации гемоглобина в отсутствие кисло­ рода. Поскольку в глобуле аминокислоты связаны друг с другом как пептидными связями, так и множеством других связей, белковая молекула обладает кооперативными свойствами, т. е. отвечает на воздействие как

единое целое: изменение в одной части молекулы приводит к изменениям во всех других частях. Это можно сравнить с изменением формы резинового мяча при на­ давливании на него в одном месте (рис. 1.19). Конформационные изменения бел­ ков имеют важное значение при их функционировании в живой клетке.

Денатурация белков

При разрыве большого числа связей, стабилизирующих пространственную струк­ туру белковой молекулы, упорядоченная, уникальная для каждого белка конфор­ мация пептидной цепи нарушается, и молекула целиком или в значительной части принимает форму случайного беспорядочного клубка (случайного в том смысле, что каждая молекула данного индивиду­

ального белка по конформации может

 

отличаться от всех других молекул).

 

Такое изменение белка называют де­

 

натурацией (рис. 1.20). Денатурацию

 

можно вызвать нагреванием до 60-80 0C

 

или действием других агентов, разруша­

 

ющих нековалентные связи в белках. Де­

 

натурация происходит на поверхности

 

раздела фаз, в кислых или, наоборот,

 

щелочных средах, при действии ряда

 

органических соединений — спиртов,

 

фенолов и др.; часто для денатурации

 

применяют мочевину или гуанидинхло-

 

рид. Эти вещества образуют слабые свя­

 

зи (водородные, ионные, гидрофобные)

 

с аминогруппами или карбонильными

Рис. 1.20. Денатурация

группами пептидного остова и с некото­

и ренативация белков:

рыми группами радикалов аминокислот,

1 — нативный белок; 2 — при нагревании внут-

подменяя собственные внутримолеку­

рицепочечные слабые связи разрываются;

лярные водородные связи в белке, вслед­

3 — при быстром охлаждении образуются в

произвольном порядке как внутрмцепочечные,

ствие чего вторичная и третичная струк­

так и межцепочечные связи; 4 — при медлен­

туры изменяются.

ном охлаждении возможна ренативация белка

Часть I. Строение информационных молекул и матричные биосинтезы

Устойчивость к денатурирующим агентам в большой мере зависит от наличия дисульфидных связей в молекуле белка. В ингибиторе трипсина (панкреатический белок) есть три S — S-связи. Если их восстановить, то происходит денатурация без других денатурирующих воздействий. Если затем белок поместить в окисли­ тельные условия, в которых происходит окисление SH-групп цистеина и образо­ вание дисульфидных связей, то исходная конформация восстанавливается. Даже единственная дисульфидная связь существенно повышает стабильность простран­ ственной структуры.

Денатурация обычно сопровождается снижением растворимости белка; при этом часто образуется осадок «свернувшегося белка», а если концентрация белков в растворе достаточно велика, то «свертывается» вся масса раствора, как это про­ исходит при варке куриного яйца. При денатурации утрачивается биологическая активность белков. На этом основано применение водного раствора фенола (кар­ боловая кислота) в качестве антисептика.

Лабильность пространственной структуры белков и большая вероятность их денатурации при разнообразных воздействиях создают значительные затрудне­ ния при выделении и изучении белков, а также при их использовании в медицине

ипромышленности.

Вопределенных условиях при медленном охлаждении раствора денатуриро­ ванного нагреванием белка происходит ренативация — восстановление исходной (нативной) конформации (см. рис. 1.20, 4). Это подтверждает, что характер уклад­ ки пептидной цепи определяется первичной структурой белка. Процесс образо­ вания нативной конформации белка самопроизвольный, т. е. эта конформация отвечает минимуму свободной энергии молекулы. Можно сказать, что простран­ ственная структура белка закодирована в аминокислотной последовательности пептидных цепей. Это означает, что все идентичные по чередованию аминокис­ лот полипептиды (например, пептидные цепи миоглобина) будут принимать иден­ тичную же конформацию. Однако из этого правила есть исключения. Капсид (обо­ лочка) вируса кустистости томатов содержит белок, построенный из субъединиц А, В и С; первичная структура этих субъединиц идентична, а конформация различ­ на. Известны идентичные олигопептидные последовательности (около 5 аминокис­ лотных остатков), которые в одних белках образуют а-спирали, в других — [3-струк­ туры. Таким образом, нативная конформация каждого участка пептидной цепи за­ висит не только от его первичной структуры, но и от ближайшего окружения.

Белки, имеющие одинаковую или почти одинаковую конформацию, могут су­ щественно различаться по первичной структуре. Например, миоглобин, а-прото- меры и (i-протомеры гемоглобина имеют почти одинаковую конформацию (см. рис. 1.9), но их первичная структура заметно различается: примерно в 70 % пози­ ций аминокислоты не совпадают. Однако в таких случаях несовпадающие амино­ кислоты, как правило, сходны по физико-химическим свойствам боковых цепей.

Денатурация и ренативация белков in vivo

Денатурация белков с небольшой скоростью происходит и в живой клетке. Ре­ нативация денатурированных белков в условиях клетки затруднена вследствие высокой концентрации белков: денатурированные молекулы обнажившимися

Рис. 1.21. Строение шаперонинового комплекса

Глава I. Строение, свойства и функции белков

гидрофобными участками соединяются с другими мо­ лекулами, что препятствует правильной укладке пеп­ тидной цепи. Однако существуют специальные бел­ ки — шапероны, помогающие восстановить натив­ ную структуру частично денатурированных белков. Шапероны называют также белками теплового шока, поскольку их синтез в клетке увеличивается при по­ вышенной температуре. Это большая группа белков, сходных по структуре и функциям. Известны три се­ мейства шаперонов: шапероны-60, -70 и -90 (число — молекулярная масса белка в кДа). Ш апероны-60 об­ разуют шаперониновый комплекс, имеющий форму двух бочонков, соединенных днищами. Стенки бо­ чонков образуют 14 молекул шаперона-60 (рис. 1.21).

На поверхности молекул, обращенной внутрь кольца, имеются участки, обога­ щенные гидрофобными радикалами аминокислот. К этим участкам могут присое­ диняться частично денатурированные белки цитозоля с открытыми гидрофобны­ ми последовательностями. Таким образом поврежденный белок оказывается в по­ лости шаперонинового комплекса, где нет других молекул цитозоля, мешающих ренативации. Путем перебора разных вариантов создается термодинамически вы­ годная конформация, и ренативированный белок выходит в цитозоль. Однако следует отметить, что значительная часть денатурированных белков гидролизует­ ся клеточными ферментами.

Ш апероны выполняют также ряд других функций, в том числе участвуют в формировании пространственной структуры белков при их синтезе. Эти функции будут рассмотрены в соответствующих разделах.

ПРОСТЫЕ И СЛОЖНЫЕ БЕЛКИ

Многие белки помимо пептидных цепей содержат еще компонент неаминокислот­ ной природы — простетическую группу. Такие белки в отличие от простых, пост­ роенных только из аминокислот, называют сложными белками.

Простетическая группа может быть представлена веществами разной приро­ ды (табл. 1.5).

Таблица 1.5. Некоторые сложные белки

 

 

П росгсгичсская ip \iin a

Металлопротеины

Ионы металлов

Фосфопротеины

H3PO4

Гемопротеины

Гемы

Флавопротеины

Флавиннуклеотиды

Гликопротеины

Моносахариды, олигосахариды

Протеогликаны

Гликозамингликаны

Липопротеины

Триацилглицерины и сложные липиды

Нуклеопротеины:

 

рибонуклеопротеины (рибосомы и др.)

РНК

дезоксирибонуклеопротеины (хроматин)

ДНК

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.