Строение белковой молекулы . Полипептидное строение белков

. Строение белковой молекулы . Полипептидное строение белков.

В настоящее  время установлено, что в живой  природе не существует небелковых организмов. При этом термин «белки» следует понимать в широком смысле, включая сюда и сложные белки, в частности нуклеопротеины — комплексы белков с нуклеиновыми кислотами. Тогда становятся совершенно беспочвенными, схоластичными дискуссии на тему — что важнее для жизни, белки или нуклеиновые кислоты.

Белки — это высокомолекулярные полимерные соединения, образующие при гидролизе аминокислоты. Иногда их называют протеинами (от греч. протос — первый, важнейший). Для живых организмов они действительно являются первенствующими и по содержанию, и, особенно, по значению. В организме животных белков содержится до 40—50% и более на сухую массу, меньше у растений — до 20—35%. Разнообразны и очень важны функции белков. Строительная, структурная функция. Белки образуют основу протоплазмы любой живой клетки, в комплексе с липидами они являются основным структурным материалом всех клеточных мембран, всех органелл.

 Каталитическая функция. Все ферменты являются белками, простыми или сложными. Таким образом, практически все биохимические реакции катализируются белками-ферментами. Двигательная функция. Любые формы движения в живой природе (работа мышц, движение ресничек и жгутиков у простейших, движение протоплазмы в клетке и т. д.) осуществляются белковыми структурами клеток.

Транспортная функция. Белок крови гемоглобин транспортирует кислород от легких к тканям и органам. Перенос жирных кислот по организму происходит с участием другого белка крови — альбумина. Есть белки крови, транспортирующие липиды, железо, стероидные гормоны. Перенос многих веществ через клеточные мембраны осуществляют особые белки-переносчики. Защитная функция. Важнейшие факторы иммунитета — антитела и система комплемента — являются белками.

Процесс свертывания крови, защищающий организм от ее чрезмерной потери, основан на превращениях белка крови — фибриногена. Эти превращения осуществляются с участием белка тромбина и большого числа других факторов свертывания, тоже являющихся белками. Внутренние стенки пищевода, желудка выстланы защитным слоем слизистых белков—муцинов. Токсины многих видов организмов, защищающих их в борьбе за существование, также являются белками (змеиные яды, бактериальные токсины).

 Основу  кожи, предохраняющей тело животных от многих внешних воздействий, составляет белок коллаген. Кератин — белок волосяного защитного покрова.

Гормональная функция. Ряд гормонов по своему строению относится к белкам (инсулин) или пептидам (адренокортикотропный гормон, окситоцин, вазопрессин и др.).

Запасная функция. Способны образовывать запасные отложения овальбумин яиц, казеин молока, многие белки семян растений.

 Опорная функция. Сухожилия, суставные сочленения, кости скелета, копыта образованы в значительной мере белками.

Рецепторная функция. Многие белки (особенно гликопротеины, лектины) осуществляют важнейшую функцию избирательного узнавания и присоединения отдельных веществ. Перечисленные функции белков не исчерпывают все их многообразие. Так, регуляторное действие белков не ограничивается только каталитическим и гормональным. Известна очень важная группа белков-регуляторов активности генома. Некоторые полипептиды играют роль ингибиторов ферментов и таким путем регулируют их действие. Большой интерес представляют исследования так называемых мозгоспецифических белков (МСБ), выполненные в последние годы. Тонкие иммунохимические методы их анализа в спинномозговой жидкости и крови позволили установить наличие корреляции между содержанием отдельных групп МСБ и поведением, некоторыми сторонами психики.

Белки имеют  и большое хозяйственное значение. Оно определяется прежде всего тем, что белки представляют собой важнейшие компоненты пищи человека и сельскохозяйственных животных.

Первые  белковые вещества выделили более 250 лет назад, а во второй половине XVIII — начале XIX вв. уже неоднократно описывали белковые вещества растений и животных. В настоящее время хорошо известен химический элементарный состав белков. Они обычно содержат 50—55% С, 21—23% О, 15-—17% , около 7% Н, от 0 до 3% S. В сложные белки, кроме того, могут входить Р и некоторые металлы.

Решающий  шаг в создании полипептидной  теории строения белковой молекулы сделал крупнейший немецкий химик-органик  и биохимик Э. Фишер (1852—1919). Гидролизуя белки соляной кислотой и ферментами, а затем исследуя продукты расщепления, он пришел к заключению, что белковая молекула образована большим числом аминокислотных остатков. Чтобы определить, каким образом они соединены между собой, Э. Фишер пошел по пути искусственного синтеза белковоподобных молекул из аминокислот. Так как свободные аминокислоты при сливании их растворов не взаимодействуют, он использовал их галогенацилпроизводные в качестве исходного материала для синтеза. Условия синтеза были таковы, что аминогруппа одной аминокислоты реагировала с карбоксилом другой, образуя пептидную связь —СО—NH— (на присутствие в белковой молекуле такого типа связей указывал еще А. Я. Данилевский, называя их биуретовыми). Таким путем ему удалось объединить в одну молекулу до 19 аминокислотных остатков.

                  Сравнение свойств этих искусственно  синтезированных соединений с пептидами — продуктами неполного расщепления природных белков — показало большое сходство. Это доказывало, что и в природных белках аминокислоты соединены друг с другом пептидными связями.

По современным  данным, наиболее часто в составе  различных белков обнаруживают 20 видов  аминокислот. Именно для 20 аминокислот существует генетический код в виде триплетов (тройки нуклеотидов в ДНК).

Иногда  в белках присутствуют и другие аминокислоты, они образуются в результате модификации белков уже после их биосинтеза, являются некодируемыми (цистин, гидроксипролин, гидроксилизин и некоторые другие). В составе белков обнаружены только а-аминокислоты, в подавляющем большинстве в L-конфигурации. Аминокислоты соединяются друг с другом ковалентной пептидной или амидной связью. Образование ее происходит за счет аминогруппы одной аминокислоты и карбоксильной группы другой с выделением молекулы воды.

Транспептидная связь

Наиболее  распространена в природе транспептидная связь, реже встречается менее устойчивая цис-пептидная связь. Пептидная связь является частично двойной, частично одинарной, между этими структурами есть взаимный переход. Время жизни одинарной связи несколько больше, чем двойной (6:4), можно сказать, что пептидная связь на 60% одинарна и на 40% двойная.

В результате явления резонанса образуется флуктуирующая, динамическая связь, которую невозможно описать на основе одной валентной  структуры. Так как вращение вокруг двойной связи заторможено, все атомы пептидной связи оказываются расположенными примерно в одной плоскости, т. е. она планарна, только вокруг атома азота связи отчасти сохраняют пирамидальный характер..

Образованные  аминокислотами полимеры называют пептидамн или белками в зависимости от числа входящих в них структурных единиц. Условно принято, что пептиды, содержащие до 20 аминокислотных остатков, относятся к олигопептидам, среди них различают ди-, три-, тетрапептиды и т. д. Полипептиды имеют в молекуле от 20 до 50 аминокислотных остатков. Пептидные цепи, объединяющие более 50 аминокислот и имеющие молекулярную массу свыше 6 тыс., относятся к белкам.

Самый низкомолекулярный  белок — гормон инсулин, состоящий из 51 аминокислотного остатка. Число аминокислотных звеньев в белке может доходить до нескольких сотен и даже тысяч. Количество видов белков в природе огромно, их разнообразие связано с различным набором аминокислот, входящих в белок, и порядком их чередования в молекуле. Так, уже из трех аминокислот можно получить 6 различных трипептидов, пяти — 120 пентапептидов, из 11—40 млн. изомеров, а из 20 разных аминокислот, каждая из которых встречается только один раз, теоретически может образовываться астрономическое число (2*10¹⁸) изомеров. Однако в живой природе реализуется только малая доля возможных изомеров.

 Для описания строения белковых молекул были введены понятия о первичной, вторичной, третичной и четвертичной структурах. В последние годы добавлены еще два уровня: сверхвторичная структура и домены, которые занимают место между вторичной и третичной структурами.

Первичная структура. Под первичной структурой белковой молекулы понимают порядок чередования аминокислот в полипептидной цепи (или цепях) и местоположение дисульфидных связей. Полипептидная цепь содержит на одном конце свободную аминогруппу (N-конец), на другом — карбоксильную группу (С-конец). За начало цепи принимается ее N-конец, именно отсюда начинается отсчет аминокислот. Это совпадает с направлением синтеза полипептидной цепи на рибосоме.

Аминогруппа на N-конце полипептидной цепи может  быть иногда ацетилированной, присоединившей остаток уксусной кислоты (СНз—СО—NH—...), как например, в цитохроме с, овальбумине, лактатдегидрогеназе, актине, миозине. Блокированные за счет ацетилирования N-концы характерны также для белков оболочки многих растительных вирусов, некоторых вирусов животных и бактерий.

На С-конце встречается либо свободная карбоксильная группа (у большинства белков), либо амидированная (некоторые гормоны, пчелиный яд).

Названия  отдельных пептидов образуются в  соответствии с составляющими их аминокислотными остатками, начиная с N-конца. При этом в названиях всех аминокислот, за исключением последней, меняется окончание на «ил». Например, L-аланил- L-цистеил- L метионин. Полная аминокислотная последовательность белков указывается в виде сокращенных названий аминокислот. Принято трехбуквенное и однобуквенное обозначение аминокислот .

Основная связь первичной структуры белков — пептидная связь. Эта связь достаточно жесткая и поэтому конформационная подвижность ее ограничена. Однако в каждом аминокислотном звене есть а-углеродныи атом, который обусловливает присутствие в этом звене двух одинарных связей; вокруг этих связей возможно вращение.

 На  сегодня задача установления  аминокислотной последовательности решена примерно для 2000 белков: цитохромов, ферредоксинов, иммуноглобулинов, белков рибосом, гемоглобинов, большого числа ферментов. Первым был расшифрован инсулин быка (Ф. Сэнгер, 1951—1953), за эти работы была присуждена Нобелевская премия. Одним из крупных белков, для которого установлена первичная структура, является фермент аспартатаминотрансфераза (М 93000). Одна полипептидная цепь этого фермента — димера состоит из 412 аминокислотных остатков.

Роль слабых взаимодействии в образовании пространственной структуры биополимеров.

 Пространственная организация макромолекул и клеточных структур осуществляется в основном при помощи химических связей, значительно более слабых, чем ковалентные. Атомы, связанные ковалентно, способны к дополнительным слабым взаимодействиям с другими атомами как в пределах одной молекулы, так и с атомами близлежащих молекул. Слабые взаимодействия участвуют в образовании формы молекул сложных биополимеров (белков, нуклеиновых кислот), их пространственной структуры, а также определяют степень прочности последней. К слабым взаимодействиям, иногда их называют вторичными связями, относят: водородные и ионные связи, ван-дер-ваальсовы силы, гидрофобные взаимодействия.

 Прочность химической связи может быть охарактеризована изменением свободной энергии АО), которое происходит при ее образовании. Для слабых взаимодействий она находится в пределах 4—30 кДж/моль, в то время как ковалентные связи очень прочные, свободная энергия их образования составляет 200—450 кДж/моль. Прочность связи коррелирует с расстоянием между атомами: чем прочнее связь, тем меньше это расстояние. Ковалентные связи самые короткие — 0,10—0,18 нм, при слабых взаимодействиях межатомное расстояние составляет 0,20—0,45 нм.

Важную  роль в образовании структуры  биологических макромолекул играют водородные связи. Они возникают между двумя электроотрицательными атомами, когда протон водорода, ковалентно связанный с одним из этих атомов, располагается между ними. Электроотрицательными (т. е. обладающими повышенной способностью притягивать электроны) являются атомы О, N, F, Реже в образовании водородных связей участвуют С1 и S. Атом водорода содержит единственный электрон, и когда последний уходит на образование ковалентной связи, ядро остается без электронных слоев. Такой водород, т. е. протон, не отталкивается, естественно, электронными облаками соседних атомов, а наоборот, притягивается ими, образуя водородную связь. Обязательное условие образования водородной связи — наличие у электроотрицательного атома хотя бы одной свободной пары электронов, к которым будет притягиваться атом

Водородные связи характеризуются  низкой энергией образования (около 20 кДж/моль), они длиннее ковалентных (0,26— 0,31 нм). Атом водорода, образующий водородную связь, находится не на равном расстоянии от электроотрицательных атомов, а ближе к тому атому, с которым образована ковалентная связь. Водородные связи имеют направленный характер. В наиболее прочных водородных связях атом водорода расположен по прямой, соединяющей донорные и акцепторные атомы. Если же водородная связь располагается под углом к ковалентной, то ее энергия выражается меньшей величиной.

 Белковая молекула имеет два вида водородных связей: между группами пептидных связей и между боковыми радикалами аминокислот. Водородные связи могут быть внутримолекулярными и межмолекулярными. Целый ряд жидкостей (вода, органические кислоты, спирты и др.) являются ассоциированными благодаря образованию межмолекулярных водородных связей. Молекулы воды, находящейся в состоянии льда, связаны друг с другом водородными связями. При этом каждые шесть молекул образуют кольцеобразную шестичленную структуру. В жидкой воде также, видимо, имеются льдоподобные кластеры (группировки, ассоциации), которые непрерывно распадаются и вновь возникают. Молекулы воды образуют водородные связи не только между собой, но и с полярными группами растворенных соединений. Полярность молекулы воды, способность образовывать водородные связи очень важны в ее роли биологического растворителя — основной среды живых клеток.