ВУЗ: Тамбовский государственный технический университет
Категория: Учебное пособие
Дисциплина: Химия
Добавлен: 09.02.2019
Просмотров: 5054
Скачиваний: 15
14
Установлено, что в природных белках, например в сократительном бел-
ке миозине, участки спирально закрученных полипептидных цепей дей-
ствительно чередуются с неспирализованными участками.
Другая форма расположения полипептида в пространстве пред-
ставляет собой длинную цепь (жгут), у которой все пептидные связи
располагаются в одной плоскости, а радикалы аминокислот – в плос-
кости, перпендикулярной ей. Несколько таких вытянутых цепей могут
укладываться параллельно друг другу и образовывать складчато-
слоистые структуры (рис. 3). Так построены молекулы белков волос,
кожи, шёлка.
Спиральная и складчато-слоистая конформации полипептидных
цепей образуют вторичную структуру белка. Вторичная структура
белка устойчива благодаря образованию водородных связей между
кислородом одной и иминной (–NH–) группой другой пептидной свя-
зи. В спиральных структурах водородные связи образуются между
пептидными группами одной и той же полипептидной цепи; если они
формируются между пептидными группами разных цепей, образуется
складчато-слоистая структура.
Соотношение между различными типами вторичных структур в
составе белка варьируется в широких пределах, причём доля неупоря-
доченных структур часто превалирует над регулярными
α
- и
β
-
структурами. В области неупорядоченных структур достаточно протя-
жённые зоны представлены петлями и резкими изгибами. Наиболее
часто встречаются так называемые
β
-изгибы, когда полипептидная
цепь резко меняет своё направление на 180
°
. В областях
β
-изгибов
преобладают главным образом остатки спиральнеобразующих амино-
кислот – пролина и глицина.
Рис
. 3. Складчато-слоистая укладка полипептидной цепи
(вторичная структура белка)
15
Организованная определённым образом во вторичную структуру
молекула белка затем укладывается в компактную плотную структуру,
называемую третичной структурой белка. В её образовании участву-
ют как регулярные (спирализованные или
β
-складчатые), так и аморф-
ные участки полипептидной цепи.
В некоторой степени третичная структура белков отражена в сис-
теме классификации белков, основанной на их растворимости в вод-
ных средах. В этом варианте классификации различают глобулярные
белки
, растворимые в воде и водных растворах кислот, оснований и
солей, и фибриллярные белки, не растворимые в этих растворителях.
Третичная структура фибриллярных белков характеризуется ни-
тевидностью (лат. fibrilla – волоконце). Длина молекул этих белков в
сотни раз больше их диаметра, что обусловлено параллельной (или
антипараллельной) ориентацией их цепей. Цепи фибриллярных белков
группируются друг около друга в виде протяжённых пучков и отлича-
ются очень большим числом межцепочечных водородных связей. Та-
кие молекулы нерастворимы в воде, так как растворение требует высо-
ких энергетических затрат на разрыв водородных связей, и очень
прочны, поэтому они являются основным строительным материалом
живых тканей (например, кератины, коллаген, эластин, миозин, фиб-
роин и др.).
Третичная структура глобулярных белков имеет вид компактных
клубочков (лат. globulus – шарик). В глобулярных белках преобладают
внутримолекулярные водородные связи; число межмолекулярных свя-
зей невелико. Все или почти все полярные группы глобулярных белков
расположены на поверхности молекул; гидрофобные остатки находят-
ся внутри свёрнутой цепи (рис. 4).
Рис
. 4. Формирование третичной структуры белка
Неполярные
радикалы
аминокислот
Полярные
радикалы
аминокислот
Вновь синтезированная
полипептидная цепь
Полипептидная цепь,
обладающая третичной
структурой
16
Гидратация молекул энергетически выгодна из-за доступности
полярных групп и немногочисленности межмолекулярных водород-
ных связей, что и обеспечивает высокую растворимость глобулярных
белков. В организме глобулярные белки выполняют роль регуляторов
и стабилизаторов процессов жизнедеятельности; к ним относятся фер-
менты, гормоны, глобулины, альбумины, тканевые белки и т.д.
После того как полипептидная цепь приобрела форму, характер-
ную для природного (нативного) белка, последняя удерживается за
счёт различного типа связей между свободными функциональными
группами или радикалами аминокислотных остатков: водородными,
ионными, гидрофобными, дисульфидными.
Особое значение в поддержании третичной структуры белков
имеют дисульфидные мостики, в некоторых белках они прочно фик-
сируют расположение отдельных участков полипептидных цепей в
пространстве. В белках, обладающих каталитическими свойствами,
могут наблюдаться зоны с высокой концентрацией гидрофобных ра-
дикалов аминокислот. Вокруг гидрофобных ядер «обматывается» по-
липептидная цепь. В некоторых белках таких ядер встречается не-
сколько, и каждое из них может выполнять в белке особую функцию.
Поскольку третичная структура задаётся первичной структурой
белка и зависит от ряда других факторов (показатель рН среды, кон-
центрация солей и др.), то даже незначительное изменение первичной
структуры белка или стандартных условий в клетке приводит к изме-
нению функциональной активности белка.
Движущей силой, свёртывающей полипептидную цепь белка в
строго определённое трёхмерное образование, является взаимодейст-
вие аминокислотных радикалов с молекулами окружающего раствори-
теля, при этом лиофобные радикалы вталкиваются внутрь белковой
молекулы, образуя там сухие зоны («жирная капля»), а лиофильные
радикалы ориентируются в сторону растворителя. В некоторый мо-
мент достигается энергетически выгодная конформация молекулы и в
целом белковая молекула стабилизируется. Специфические свойства
белков обусловлены третичной структурой белка.
В связи с исследованиями структуры всё большего количества
белков было высказано предположение о доменном принципе строе-
ния белковой молекулы. Доменом называют фрагмент молекулы бел-
ка, обладающий структурной и функциональной обособленностью.
В различных природных белках были обнаружены однотипные пептид-
ные блоки с ограниченными вариантами пространственной структуры.
Концепция о детерминировании третичной структуры последова-
тельностью аминокислот полипептидной цепи получила дальнейшее
развитие в теории о существовании общего стереохимического кода,
определяющего соответствие между первичной и третичной структу-
рами белка. Сущность теории состоит в концепции о существовании
17
кода взаимодействия радикалов аминокислот, основанного на их сте-
реокомплементарности и заключающегося в замыкании водородных
связей между полярными радикалами – донорами протонов и радика-
лами – акцепторами протонов в процессе образования белковой глобу-
лы. В результате появилась возможность не только предсказывать тре-
тичную структуру белков, но и синтезировать полипептиды с запро-
граммированной третичной структурой и, следовательно, с определён-
ными биологическими свойствами. Так, методами белковой инженерии
созданы два белка, один из которых состоит из четырёх
α
-спиралей, а
другой – из
α
-спиралей и
β
-слоёв в соотношении 1:2.
Некоторые белки обладают четвертичной структурой (рис. 5).
Однако она реализуется только у белков, состоящих из нескольких
субъединиц (отдельная полипептидная цепь, образующая четвертичную
структуру). Субъединица сохраняет свойственные ей первичную, вто-
ричную и третичную структуры, однако биологическая роль комплекса
в целом отличается от биологической роли субъединиц вне комплекса.
Фиксация четвертичной структуры обеспечивается водородными связя-
ми и гидрофобными взаимодействиями между субъединицами. Напри-
мер, молекула гемоглобина – белка с четвертичной структурой – состоит
из четырёх субъединиц, окружающих гем (простетическую железосо-
держащую группу – железопорфирин); между субъединицами нет кова-
лентной связи, однако тетрамер представляет собой единое целое, в ко-
тором субъединицы прочно связаны и ведут себя в растворе как одна
молекула. Наличие четвертичной структуры характерно также для дру-
гих металлопротеинов и для иммуноглобулинов. При формировании
четвертичной структуры белка образующийся комплекс может содер-
жать помимо субъединиц полипептидной структуры и субъединицы
иной полимерной природы, а также соединения других классов.
Рис
5. Четвертичная структура белков:
а – олигомерный белок, построенный из 4 полипептидных цепей
(субъединиц); б – белок вируса табачной мозаики
Полипептидные
субъединицы
РНК
а)
б)
18
Простейшим примером четвертичной структуры является объе-
динение нескольких полипептидных спиралей в вытянутый комплекс
наподобие проводов в электрическом кабеле. Такую четвертичную
структуру имеют мышечные сократительные белки. Четвертичная
структура может быть и более сложной. Например, белковая молекула
вируса табачной мозаики (молекулярная масса 40 000 000) состоит из
2130 отдельных субъединиц, каждая из которых обладает своей пер-
вичной, вторичной и третичной структурой. Они образуют четвертич-
ную спираль, в которой более сотни витков.
2.4. ХИМИЧЕСКИЕ СВЯЗИ БЕЛКОВЫХ МОЛЕКУЛ
Основные типы связей, реализующиеся в белковых молекулах,
следующие:
1. Дисульфидные мостики образуются между остатками цис-
теина за счёт окисления тиольных групп в дисульфидные:
HN
CH
C O
CH
2
SH
+ HS
CH
2
CH
C O
NH
[O]
HN
CH
C O
CH
2
S
S
CH
2
CH
C O
NH
Мостики возникают как между остатками цистеина, расположен-
ными в одной цепи (как, например, в окситоцине или вазопрессине),
так и между остатками, находящимися в разных цепях, если белок со-
стоит из более чем одной полипептидной единицы, как в инсулине или
иммуноглобулинах (рис. 6).
Gly
Ile
Val
Glu
Gly
Cys
Cys
Ala
Ser
Val
Cys
Ser
Leu
Tyr
S
S
S
Phe
Val
Asn
Gln
His
Leu
Cys
Gly
Ser
His
Leu
S
Рис
. 6. Фрагмент молекулы инсулина быка
2. Водородные связи могут образовываться между карбонильной
группой одной полипептидной связи и группой NH другой связи. При-
чём, связываемые группировки могут находиться как в одной и той же
цепи, так и в разных цепях: