Биологические функции белков

Огромное разнообразие структур белков обусловливает множество их функций. В значительной степени функции белков определяются их способностью менять свою конформацию при взаимодействии друг с другом и с другими молекулами.

Опираясь на свои знания, полученные в предыдущих курсах, самостоятельно опишите каждую из упомянутых на схеме функций. Приведите дополнительные примеры конкретных белков, выполняющих данные функции.

Постарайтесь предложить отсутствующие в схеме функции белков.

В этом разделе мы попытаемся на нескольких конкретных примерах разобраться в том, как особенности строения обеспечивают возможность выполнения белками той или иной функции.

Структурные белки.

Белки, выполняющие строительную функцию, входят в состав всех клеточных мембран, цитоскелета, межклеточного вещества тканей, капсидов вирусов и т.д. Рассмотрим конкретные примеры.

К оллаген

Коллаген наиболее распространенный белок млекопитающих, образует основу сухожилий, костей, кожи, зубов и хрящей. Структурной единицей коллагенового волокна является тропоколлагеновая молекула (четвертичная структура), состоящая из трех полипептидных цепей, каждая из которых содержит около 1000 аминокислотных остатков. В зависимости от функции коллагена его полипептидные цепи либо полностью идентичны, либо имеют довольно близкие последовательности.

Аминокислотный состав коллагена необычен. Во-первых, примерно одну треть всех остатков составляют остатки глицина, и, во-вторых, имеется большое число остатков пролина. Кроме того, в коллагене встречаются остатки двух минорных аминокислот (обычно не обнаруживаемых в белках) – гидроксипролина (Hyp) и гидроксилизина (Hyl). Боковые цепи этих аминокислот содержат гидроксильную (—ОН) группу, присоединенную к одному из углеродных атомов вместо атома водорода. Гидроксилирование осуществляется специфическими ферментами после включения пролина или лизина в полипептидную цепь коллагена.

П ервичная структура (аминокислотная последовательность) большей части цепи коллагена представлена регулярно повторяющимися единицами Gly—X—Y, где X и Y могут быть относительно произвольными аминокислотными остатками. Пролин (Pro) чаще встречается в положении X, тогда как гидроксипролин (Hyp) — преимущественно в положении Y. Типичный фрагмент последовательности коллагена выглядит следующим образом:

—Gly— Pro—Hyp—Gly—Pro—Met—Gly—Pro—Hyp—Gly—Pro— Hyl—

Такая регулярная последовательность принимает конформацию, называемую коллагеновой спиралью. Одиночная цепь коллагена содержит примерно 1000 остатков. В участках из первых 16 остатков у N-конца и из последних 25 остатков у С-конца полипептидной цепи коллагена подобной регулярности в чередовании аминокислотных остатков не обнаруживается. Эти сегменты, называемые телопептидами, имеют нерегулярную конформацию, отличную от коллагеновой спирали.

Вторичная структура – коллагеновая спираль – спираль, в которой расстояние между аминокислотными остатками вдоль оси составляет 0,29 нм, а на один виток спирали приходится немного менее трех остатков. Спираль оказывается левой в том смысле, что если пальцы левой руки расположить так, чтобы они прослеживали путь Gly1—X2—Y3— Gly4, то большой палец будет указывать направление от N- к С-концу. Между атомами основной цепи одиночного полипептида водородных связей не образуется. Тем не менее такая конформация оказывается предпочтительной для полипептидной цепи, содержащей остатки пролина и гидроксипролина.

Третичная структура – правая сверхспирализация левой коллагеновой спирали, которую можно наблюдать по результирующему смещению основной цепи при переходе от Gly1 к Gly4 (Gly1 и Gly4 – это глициновые остатки, стоящие соответственно в первом и четвертом положениях).

Справа модель коллагеновой спирали построенная в программе HyperChem:

увеличенное изображение – видна левая спирализация,

уменьшенное – видна правая сверхспирализация левой спирали.

Ч етвертичная структура – тройная коллагеновая спираль – структура регулярной части молекулы тропоколлагена. В тройной коллагеновой спирали три одиночные коллагеновые цепи уложены параллельно и закручены одна вокруг другой, образуя похожую на канат витую структуру. Такое закручивание оказывается возможным благодаря наличию у левых одиночных коллагеновых спиралей правой сверхспирализации.

Глицин – единственный остаток, который может располагаться вблизи оси тройной спирали, поскольку имеющегося там свободного пространства недостаточно для размещения любой другой, большей по объему боковой цепи. На один виток одиночной цепи приходится примерно три остатка, поэтому в каждом третьем положении аминокислотной последовательности должен стоять глицин. Боковые цепи остатков X и Y направлены в сторону от оси тройной спирали и могут быть большими по объему.

В тройной спирали образуются водородные связи между >N—Н^δ+ -группой каждого внутреннего глицинового остатка и >С=О^δ- -группой другой цепи. Таким образом, все три цепи связанные между собой множественными водородными связями, образуют единую стабильную структуру – молекулу тропоколлагена, длина которой составляет около 300 нм.

Коллагеновое волокно.

Сборка коллагена начинается с синтеза в фибробластах молекул проколлагена.

Проколлаген – предшественник коллагена, имеющий дополнительные пептиды на N- (16 остатков) и С-концах (25 остатков).

В фибробластах молекулы проколлагена самопроизвольно сворачиваются в тройные спирали, в каждой из которых С-концы трех цепей связываются друг с другом дисульфидными мостиками.

В таком виде тройные спирали секретируются из клетки и затем после удаления дополнительных пептидов проколлагена с помощью фермента, проколлагеновой пептидазы, превращаются в молекулы тропоколлагена.

Формирование коллагеновой микрофибриллы.

Микрофибрилла представляет собой совокупность уложенных параллельно молекул тропоколлагена, каждая из которых сдвинута в продольном направлении относительно соседней на 67 нм (этот сдвиг называется D-уступом).

Кроме того, между С-концом одной молекулы и N-концом следующей существует промежуток длиной 40 нм.

Микрофибриллы, ассоциируя друг с другом, образуют фибриллу, а несколько фибрилл – коллагеновое волокно.

Коллагеновые волокна стабилизируются с помощью ковалентных сшивок между полипептидными цепями и в результате оказываются слаборастяжимыми и весьма прочными, так как сколько-нибудь заметное удлинение волокон требует разрыва этих сшивок. В то же время, благодаря наличию зазоров (40нм) и D-уступов (67нм) при формировании микрофибрил, волокно оказывается весьма гибким.