ТОХФ / 6 группа (ХТБМП) / Биохимия / Лекции - Коваленко - 2003 / 3. Белки и пептиды

5

Белки и пептиды

Порядок расположения аминокислот в продукте их поликонденсации с образованием пептидных связей, их последовательность, представляет собой то, что называется первичной структурой белка или пептида

Если пептид содержит не более 20 аминокислот, то его обычно называют олигопепти-дом, затем идут полипептиды и от 100 аминокислот начинаются белки. В составе белка или пептида концевая аминокислота со свободной -аминогруппой называется N-ами-нокислотой, а концевая аминокислота со свободной -карбоксильной группой называ-ется С-аминокислотой. Существуют, конечно, и циклические пептиды, у которых N- и С-аминокислоты отсутствуют. Первичный порядок пептидов в одно- и трехбуквенном изображении всегда начинается с N-аминокислоты и заканчивается С-аминокислотой. Иногда это подчеркивается тем, что в формуле с трехбуквенным обозначением аминокислот показывают положение аминной и карбоксильной групп, например

Met-Pro-Cys-Gly или H₂N-Met-Pro-Cys-Gly-COOH

В реальных условиях пространственная организация пептидных и тем более белковых молекул не может быть линейной. Важную роль в образовании истинной структуры играют водородные связи, которые устанавливаются между протонами и атомами кис-лорода в чередующихся амидных связях. В простейшем случае белковая цепь закручи-вается в спираль, в которой на один виток приходится 3,6 пептидных фрагментов. Шаг такой спирали равен 0,54 нм, радикалы аминокислот R отходят от спирали, как ветви от ствола дерева. Однако такое пространственное расположение, получившее обозначение ‑спирали, не может быть образовано пептидной цепью из любых аминокислот. У мо-лекулы пролина, как уже говорилось выше, иной угол связей у атома углерода несу-щего аминогруппу и карбоксильную группу, и это небольшое различие оказывается достаточно значимым для того, чтобы внести иррегулярность в чередование пептидных фрагментов в спирали, на этой аминокислоте она всегда переходит в изгиб. Не помеща-ются в спирали и расположенные рядом аминокислоты с объемными заместителями, а аминокислоты с основными и кислотными группами тоже нарушают эту структуру, но уже за счет солевых взаимодействий.

Еще одна возможность стабилизации определенной пространственной структуры пред-ставлена образованием водородных связей между двумя линейными параллельными или антипараллельными пептидными цепями. Это так называемая складчатая ‑струк-тура. В ее состав также могут входить лишь пептидные участки, состоящие из сравни-тельно простых аминокислот, например аланина, глицина, пролина. В соответствии с принятой классификацией структур белковых молекул -спирали, -структуры и ирре-гулярные участки представляют собой вторичную структуру белка, а сочетание элемен-тов вторичной структуры в белковой молекуле с участием дисульфидных связей пар цистеиновых фрагментов образуют целостную пространственную третичную струк-туру.

Первым белком, на кристалле которого с помощью рентгеноструктурного анализа ко-торого была установлена третичная структура, стал миоглобин. Его молекула представ-ляет собой комплекс белка и небелковой гемовой структуры. Биологическая роль мио-глобина заключается в транспорте кислорода внутри клетки к митохондриям и в созда-нии запаса кислорода внутри клетки для восполнения его недостатка в экстренных ситуациях. Гемовые структуры присутствуют во многих белках с каталитическими и транспортными функциями. Атом железа, находящийся в центре порфириновой гетеро-циклической компоненты гема, может связывать молекулу кислорода или же перено-сить электроны, меняя валентность от +2 до +3 и обратно. В гемоглобинах, предназна-ченных для переноса кислорода, у атома двухвалентного железа с координационным числом равным шести пять координаций заняты атомами азота: четыре из порфирино-вого фрагмента, пятая в перпендикулярном к плоскости молекулы гема направлении занята атомом азота из имидазольного цикла фрагмента гистидина, входящего в пептидную цепочку белковой компоненты гемоглобина. Шестая противоположно на-правленная координация служит для связывания кислорода. Эта связь может занимать-ся и другими молекулами, так, например, монооксид углерода связывается гемом в гемоглобине в 200-250 раз прочнее, чем кислород.

Расшифровка структуры миоглобина проводилась в несколько этапов. Сначала на рент-генограмме низкого разрешения было установлено пространственное расположение полипептидной цепи без учета отходящих от нее радикалов R. Затем в результате съем-ки с более высокой разрешающей способностью была получена рентгенограмма, позво-лившая установить положение тяжелых атомов, входящих в состав этих радикалов.

Оказалось, что в миоглобине около 80 % всех аминокислотных остатков (всего их 159) включено в -спирали, образующие 8 почти прямолинейных участков, из которых самый длинный включает 23 аминокислотных фрагмента, а самый короткий – 7. Все четыре входящих в состав этого белка молекулы пролина образуют изгиб полипептид-ной цепи. Все полярные функциональные группы, кроме двух, расположены на наруж-ной поверхности белковой глобулы, а большая часть гидрофобных групп внутри ее. Молекула миоглобина настолько компактна, что внутри ее могут поместиться всего лишь четыре молекулы воды. Из различных организмов было выделено несколько раз-новидностей миоглобина, но все они очень близки по форме глобул. Оказалось также, что в некоторых ключевых точках полипептидных цепей разных миоглобинов нахо-дятся одинаковые аминокислотные составляющие. Такие аминокислоты называют инвариантными.

Строение миоглобина, 80 % пептидных фрагментов которого включено в -спирали, определяется его ролью переносчика кислорода. Такая жесткая структура мало приспо-соблена для многообразных конформационных переходов. В отличие от этого в моле-кулах ферментов на долю -спиралей приходится обычно не более 40 % аминокислот-ных составляющих, но именно -спирали образуют активные центры ферментов и предназначенные для связывания с другими молекулами участки рецепторов и регу-ляторных белков.

Миоглобин и цитохром с не содержат складчатых -структур, но эти элементы третич-ной структуры белков обязательны для подавляющего большинства ферментов. В ка-честве примера можно привести защитный белок с гидролазной активностью лизоцим (лизис – разрыв, растворение). Он содержится в яичном белке, в слезах и в слюне, а его антимикробная активность основана на расщеплении олигосахаридных фрагментов, соединенных со структурными элементами мембран многих бактерий. В ‑структуры лизоцима включено 12 % аминокислотных фрагментов, в -спирали – 40 %, а осталь-ные образуют различные изгибы и иррегулярные витки. Активный центр лизоцима составлен только -спиралями.

Еще один пример структурной организации – предназначенный для гидролитического расщепления рибонуклеиновых кислот фермент рибонуклеаза. Он секретируется клет-ками поджелудочной железы в двенадцатиперстную кишку и далее поступает в тонкий кишечник. В молекуле рибонуклеазы 124 молекулы аминокислот, из них 26 % входит в состав участков, образующих -спирали, и 35 % находится в ‑структурах. Нативная конфигурация рибонуклеазы поддерживается четырьмя дисульфидными мостиками. Организация третичной структуры белка происходит в процессе его последовательного биосинтеза из аминокислот, а нарушение нативной структуры нагреванием или крайни-ми значениями рН чаще всего приводит к необратимой потере ферментативной актив-ности. Этот процесс называется денатурацией. Однако многие белки с небольшой молекулярной массой в некоторых случаях сохраняют способность к ренатурации, то есть к восстановлению нативной структуры. К таким белкам относится и рибонуклеаза.

При обработке рибонуклеазы концентрированным раствором мочевины (разрыв водо-родных связей между пептидными функциональными группами) и меркаптоэтанолом (разрыв дисульфидных связей) белковая цепь рибонуклеазы разворачивается и теряет каталитическую активность, поскольку в этом случае пространственная организация активного центра полностью нарушена. Если денатурированную таким мягким спосо-бом рибонуклеазу подвергнуть диализу, то есть с помощью полупроницаемой мембра-ны отмыть от нее мочевину и избыток меркаптоэтаноламина, то она почти полностью (на 95 %) восстановит каталитическую активность, а через некоторое время в процессе окисления кислородом воздуха восстановятся дисульфидные мостики и структура белка стабилизируется. После этого рибонуклеаза станет гораздо более устойчивой к внешним воздействиям, чем без этих жестких сшивок, поддерживающих оптимальную третичную структуру.

Интересно, что простой вероятностный перебор вариантов самоорганизации белка из 100 пептидных фрагментов для получения конфигурации с минимумом энергии занял бы 10⁵⁰ лет. Очевидно, правильная укладка небольшого участка полипептидной цепи значительно упрощает самоорганизацию расположенных рядом участков, и чем боль-ший фрагмент белковой молекулы принял оптимальную структуру, тем скорее в этот процесс вовлекаются остальные. Простота такой самоорганизации денатурированного щадящими способами белка может быть связана и с тем, что в нем сохраняются опре-деленные критические структурные элементы, вокруг которых затем и идет ренату-рация.

В связи с этим можно поставить под сомнение целесообразность столь широко разре-кламированной расшифровки генетического кода, поскольку синтез определенных бел-ков на основе получаемой таким образом информации оказывается проблематичным. Здесь можно вспомнить, что кроме значащих участков ДНК гены содержат так назы-ваемые экзоны, вычленить которые на основании формальных признаков без ошибок не так просто. Если это все же удастся, то самопроизвольное сворачивание синтези-рованной белковой молекулы в требуемую для правильного функционирования белка структуру (фолдинг) еще менее вероятно. Для изучения белков, первичная структура которых была установлена на основе расшифровки структуры гена, надо перейти к их третичной структуре. Сейчас разрабатываются компьютерные программы, предпола-гающие, что истинной третичной структуре белка соответствует минимум энергии. Но даже с использованием принципа «Монте Карло» обсчет достаточно простых белков на самых современных компьютерах занимает несколько месяцев.

По строению белки разделяются на две основные группы – фибриллярные (нитевид-ные) и глобулярные (овальной или округлой формы).

По биологической функции можно выделить такие группы белков:

1. Ферменты

2. Транспортные белки (гемоглобин, сывороточный альбумин, липопротеины)

3. Пищевые или запасные белки (глиадин из зерен пшеницы, яичный албумин, казеин)

4. Сократительные и двигательные белки (актин, миозин, тубулин)

5. Структурные белки (коллаген, эластин, кератин, фиброин)

6. Защитные белки (антитела, тромбин, токсины, например, токсин ботулизма, рицин, яды змей и паукообразных)

7. Регуляторные белки (инсулин, кортикотропин, репрессоры).