Способы укладки белковых молекул

8. Укладка белков

Белки, плод усилий ДНК, РНК и белковых ферментов, несут на себе бремя жизни — в буквальном и переносном смысле. На два вида белков, из-за своего строения названных глобулярными [округлыми] и фибриллярными 37 [вытянутыми], возложены многочисленные обязанности:

Ферментный катализ. Глобулярные белки точно подлаживаются под определенные молекулы, вызывая жизненно необходимые химические реакции.

Защита. Различные глобулярные белки берегут от определенных молекул, которые «подстраиваются» под облик белков.

Транспортировка. Другая разновидность глобулярных белков занимается доставкой небольших молекул, опять же исходя из облика белка. Например, гемоглобин имеет полость, подстроенную под молекулу кислорода, переносит кислород через кровь и при необходимости «сгружает». Представьте, что случится, если молекула угарного газа займет полость в гемоглобине и «застрянет» там и гемоглобин уже не сможет доставлять кислород.

Обеспечение волокнами. Коллаген — самый распространенный фибриллярный белок у позвоночных животных. Это молекулярная основа костей, связок, сухожилий и кожи.

Движение. Молекулы актина и миозина обладают способностью скользить, обеспечивая сокращение мышц.

♦ Регуляция. Белки выступают в качестве поверхностных рецепторов клетки и внутренних регуляторов поведения гена вроде lac-репрессоров (см. гл. 4).

Внешний облик белка имеет решающее значение при выполнении многих задач, и он далеко не прост. Если длинную нить аминокислот, составляющих белок, уподобить волокну, то функциональный облик белка можно уподобить замысловатой корзине, сплетенной из этого волокна.

Сложное, трехмерное устройство белков впервые заметили в 1930-е годы, когда У. Т. Астбури получил различные рентгенограммы дифракционных полос натянутого человеческого волоса. Американский химик Лайнус Полинг, работая с Робертом Кори в 1951 году, основываясь на знании химических связей, предположил, что самые простые белковые молекулы имеют спиралевидное (а) или складчатое (Р) строение.

(В Англии Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик боялись, как бы Полинг раньше их не открыл строение ДНК. Оказалось, что Полинг работал с неверными данными и в итоге предпочел тройную спираль для ДНК вместо двойной, которую предложили Уотсон и Крик в 1953 году, имея на руках блестящие данные рентгенограмм Розалинды Франклин.)

Вскоре после выступления Полинга и Кори датский биохимик К. Линдерстрем-Ланг предложил четырехуровневое строение белка, исходя из теоретических соображений (см. рис. 3.6). Современный уровень знаний позволил добавить еще два уровня, о которых мы поговорим, рассмотрев вначале некоторые опытные данные.

В 1957 году химик Джон Кендрю после завершения в Кембриджском университете (Великобритания) большой работы с использованием методов рентгеноструктурного анализа определил точное трехмерное строение белка миоглобина, доставляющего кислород к мышцам. Посмотрев на итоговые результаты, Кендрю заметил: «Пожалуй, более всего эту молекулу отличают упорядоченность и отсутствие всякой симметрии». Все дело в том, что белки обычно имеютскрученное, витое трехмерное строение. Даже опытным исследователям нужно приложить немало усилий, чтобы усмотреть в моделях белков некие закономерности. Вот почему столь ценно знание многоуровневой организации белков.

Первичная структура белка определяется цепью аминокислот, собираемых РНК согласно «чертежу» ДНК. У белка со 100 аминокислотами каждое место может занимать любая из 20 аминокислот, так что в итоге можно получить 20 100 совершенно различных белков. Столь огромная величина (10 130 ), превышающая число атомов обычного вещества во Вселенной, свидетельствует о невероятном многообразии белков.

Вторичную структуру представляет а-спираль и складчатый (β-слой [β-тяж], как и предполагал Полинг. Эти структуры возникают вследствие притягивания положительно заряженных участков молекулы к отрицательным участкам той же молекулы и иных электрических воздействий.

Надвторичная структура (не показана) сочетает в себе две вторичные структуры или более, именуемые мотивами. Лист или складка имеет обычно мотив (βαβ; так называемая укладка Россманна 38 представляет собой сочетание βαβαβ; другой распространенный мотив — β-бочонок (образующий трубку β-тяж).

Третичная структура часто образуется при реакции молекулы с водой, когда [гидрофобные, т. е. лишенные сродства с водой] участки молекулы плотно свертываются внутри ее, так что почти не остается свободного пространству. Такое плотное свертывание объясняет, почему некоторые мутации, связанные с замещением аминокислоты различной величины, могут изменять облик белка настолько, что он уже не в состоянии играть отведенную ему роль в метаболизме организма.

Домен (не показан) представляет собой участок белка, нередко из сотен аминокислот, имеющий своеобразный вид независимо от облика остальной молекулы. Домены можно уподобить узлам на длинной веревке.

Четвертичная структура описывает положение, когда две цепи аминокислот или более, именуемые подгруппами, соединяются, образуя один функциональный белок. Например, гемоглобин состоит из двух подгрупп: α-цепи и β-цепи. Серповидноклеточная анемия вызывается мутацией, замещающей аминокислоту в одном из углов кольца β-подгруппы, образуя там «липучку», которая скрепляет одну молекулу гемоглобина с другой. В итоге молекулярная цепь оказывается слишком длинной, чтобы справляться со своими обязанностями.

Первичная структура белка, биологически неактивная, также подвержена воздействию других молекул, которые могут повлиять на ее строение и работоспособность. Поэтому белки от первичного состояния зачастую переходят к третичному или четвертичному за несколько минут или даже доли секунды. Данный процесс именуют укладкой (или сворачиванием). И наоборот, при изменении окружающих условий (температуры, кислотности, концентрации ионов) белок может изменить свой облик, или развернуться. Обратный процесс именуют денатурацией. Примером может служить добавление соли или уксуса в пищу, что сохраняет ее, разрушая белки микроорганизмов, которые в обычных условиях беспрепятственно размножались бы на пище.

Во многих случаях после денатурации белки возвращают свою биологически активную конформацию и продолжают функционировать как ни в чем не бывало.

Однако иногда возможна неправильная укладка. Например, когда вы варите яйцо, белки разворачиваются. Но при охлаждении яйца они не возвращаются к прежней укладке, а образуют нерастворимую массу (если яйцо сварено вкрутую).

На правильное и неправильное сворачивание белка влияют другие белки, именуемые шаперонинами 39 , которые обычно помогают укладке, ускоряя ее и предотвращая неправильную укладку. Выявлено более 17 шаперонинов, некоторые из которых даже позволяют уже неправильно уложенному белку вернуться к правильной укладке. Ведутся обширные исследования по неправильной укладке, которая, возможно, является причиной болезни Альцгеймера и коровьего бешенства.

Ввиду огромного числа белков и еще большего количества всевозможных для них укладок изыскания в этой области требуют привлечения суперЭВМ для учета всех случаев. Подобно обработке данных, получаемых в рамках проекта SETI, вы можете загрузить на свой домашний компьютер программу по расчету белковых укладок, которая будет работать в виде экранной заставки при простое вашего компьютера. Если вас это заинтересовало, можете обратиться на узел Всемирной Паутины http://folding.stanford.edu / Уже на более чем 60 тыс. компьютеров запущена эта программа, что оказывает существенную поддержку проекту Folding@home.

Дополнительный источник информации:

9. Генетические технологии

Поскольку операционные системы всех живых существ основаны на ДНК, возможность разрезать ДНК, перестраивать ее, а затем вновь собирать породила новую отрасль производства — генную технологию.

Многие растения и животные уже оказались подвержены действию данной технологии. Многие годы животноводы и растениеводы изменяли ДНК посредством селекционирования. Недавно стали прибегать к более прямым генетическим изменениям. Устойчивость к гербицидам, связывание азота и устойчивость к вредителям — вот немногие из подвергшихся изменению признаков. В итоге добились увеличения производства высокопитательных продуктов.

Обращение генетических технологий к человеку связано с этическими вопросами, которые необходимо решить, особенно в связи с отсутствием полной картины человеческого протеома, а значит, и неизвестным пока воздействием генетических изменений на человеческие признаки (см. гл. 4).

Косвенное использование генетических технологий уже существенно отразилось на жизни людей. Приводим перечень осуществляемых биотехнологических проектов.

Бактерии используются для получения прежде труднодоступных, нужных человеческому организму белков, таких как:

эритропоэтин (Erythropoietin), стимулирующий производство красных кровяных телец (эритроцитов);

гормон роста, способствующий нормальному росту;

инсулин, помогающий при диабете;

интерферон, применяемый при различных болезнях; механизм его действия еще не до конца понят;

профибринолизин (плазминоген), способствующий рассасыванию кровяных сгустков.

Теперь с помощью генной терапии лечат такие заболевания человека, как:

болезнь печени, вызванную а-1-антитрипсиновой недостаточностью; поражение печени может привести к хроническому гепатиту и циррозу;

некоторые разновидности рака;

хроническая гранулематозная болезнь (хронический семейный гранулематоз);

болезнь Гоше, по имени французского дерматолога Филиппа Гоше (1854-1918), характеризуется накоплением глюкоцереброзидов в макрофагах главным образом селезенки, костей и печени; наследуется по аутосомно-доминантному типу;

болезнь Хантера (мукополисахаридоз II типа), по имени канадского врача родом из Шотландии Чарльза Хантера (1873-1955), в 1917 году описавшего характерную симптоматику у двух мальчиков-братьев; характеризуется умеренно выраженной деформацией скелета, атрофией дисков зрительных нервов, пигментной дегенерацией сетчатки; наследуется по рецессивному, связанному с Х-хромосомой типу;

тяжелая комбинированная иммунная недостаточность (ТКИН; англ. SCID — Severe Combined Immunodeficiency).

Подобные списки устаревают уже при их обнародовании, пополняясь болезнями чуть ли не ежедневно. Для получения самых свежих сведений обращайтесь к следующим узлам Всемирной Паутины, размещающих новости в сфере биотехнологий:

Уяснение нами природы теломер — пример того, как знание работы генома (протеома) можно перевести на язык технологий. Повторяющийся участок в конце хромосомы, именуемый теломерой, часто состоит из повторяющейся много раз последовательности ТТАГГГ, которую можно было бы уподобить словам «и т. д., и т. д., и т. д.». В некотором смысле эти повторяющиеся последовательности можно рассматривать как «бросовую» ДНК, поскольку в них не кодируется сборка белков. При каждой репликации ДНК одна из повторяемых последовательностей физически отделяется от молекулы ДНК, укорачивая ее. После отбрасывания всех повторяющихся последовательностей при следующей репликации ДНК отпавшие основания оказываются уже не «шапочками» повторяющихся концов [хромосомы], а частью чертежа для специфичного белка. Данное явление, напрямую связываемое со старением клетки, именуют пределом Хейфлика 40 . Азотистых оснований, необходимых для сборки определенного белка, больше нет, поэтому белок не собирается должным образом, а значит, и не может выполнять возложенных на него обязанностей в полном объеме. Если этот белок играет жизненно важную роль в метаболизме организма, подобный сбой означает смерть.

Предположим, что организм использует данный белок для борьбы с определенным вирусом. Прежде белок собирался правильно и вирус одолевал.

Но с уходом всех повторяющихся ТТАГГГ последовательностей стало невозможным собирать стойкий к вирусу белок, и вирус безраздельно завладел организмом. Возможно, поэтому флавивирусы 41 вроде возбудителя лихорадки Западного Нила легче поражают пожилых людей.

Вместе с тем раковые клетки не старятся. Они безгранично воспроизводятся. Так что же происходит с их повторяющимися последовательностями ТТАГГГ, которые должны отпадать? Оказывается, существует фермент, именуемый теломеразой, который при активации восстанавливает на конце хромосомы недостающие последовательности ТТАГГГ, позволяя тем самым клетке размножаться вне отведенных ей пределов.

Защите против некоторых видов рака, возможно, помог бы поиск активированной теломеразы. Кроме того, ввод тело-меразы при нераковых заболеваниях, возможно, продлил бы жизнь. Или же деактивация теломеразы после прохождения курса лечения раковым больным предотвратила бы опасность рецидива.

Продолжающиеся исследования в данной области во многом влияют на фармакологию.

Наблюдающийся в биотехнологии бум стал возможен после картирования генома модельных организмов и человека. Однако из-за носившего урывочный характер картирования генома человека (когда сведения поступали от различных исследователей) подстраивание фармацевтической продукции или генной терапии под каждого человека пока еще невозможно.

Такое положение должно вот-вот измениться.

15 августа 2002 года Дж. Крейг Вентер объявил о своем намерении создать новый центр по секвенированию ДНК под эгидой Института исследований генома (TIGR), Центра содействия геномике и Института альтернативной биологической энергетики.

В задачу этих учреждений входит расшифровка полного генома конкретного человека, производимая за несколько часов или минут, а не в течение месяцев или лет, которая бы стоила 2—3 тыс. долларов, а не сотни миллионов, как это было в случае с международным консорциумом Human Genome Project. Хотя Вентер и оговаривается, что «существующие технические средства не способны решить подобной задачи», он рассчитывает справиться с ней за десять лет. С появлением этих новых технических средств Вентер планирует одновременное секвенирование ДНК всех микробов, содержащихся в пробе морской воды, в качестве способа слежения за состоянием экологии.

Пусть подобные планы и выглядят чересчур оптимистичными, достижения Вентера позволяют надеяться, что его прогнозы оправдаются.

Источник

Белки как молекулы. Состав, структура и функции белков. Урок 10

Белки выполняют ведущую роль в жизни организмов, преобладая в них и количественно. В теле животных они составляют 40-50% сухой массы, в растениях – 20-35%. Это самая разнообразная группа молекул – как химически, так и функционально. Состав и структура белков определяет огромное разнообразие их функций в клетке: их так много, что невозможно перечислить и описать их все. Однако можно сгруппировать эти функции в следующие восемь категорий. Но этот список также будет неполным.

1. 1. Ферментативная (каталитическая). Ферменты имеют белковое происхождение. Это трёхмерные глобулярные (свёрнутые) белки, плотно прилегающие к молекуле для её расщепления или сборки. Такая подгонка ускоряет специфические химические реакции в клетке.
   2. Защитная. Другие глобулярные белки используют свою форму для распознавания чужеродных микроорганизмов и раковых клеток. Эти приёмные устройства формируются эндокринной и иммунной системами. Многие живые организмы выделяют белки, ядовитые для других. Токсины синтезируют ряд животных, грибов, растений, микроорганизмов. В свою очередь, некоторые организмы способны вырабатывать антитоксины, которые подавляют действие этих ядов.
   3. Транспортная. Глобулярные белки присоединяют и транспортируют мелкие молекулы и ионы. Например, транспортный белок гемоглобин переносит кислород и углекислоту с потоком крови. Мембранные транспортные белки помогают молекулам и ионам двигаться через плазмалемму. Альбумины крови транспортируют жирные кислоты, глобулины – ионы металлов и гормоны.
   4. Структурная. Белковые молекулы входят в состав всех клеточных мембран и органоидов. Из белков построены элементы цитоскелета, сократительные структуры мышечных волокон. Структурными являются кератин в волосах, фибрин в сгустках крови, коллагенв коже, связках, сухожилиях и костях. В состав связок, стенок артерий и лёгких входит также структурный белок эластин.
   5. Двигательная. Сократительные белки обеспечивают способность клеток, тканей, органов и целых организмов изменять форму, двигаться. Мышцы сокращаются за счёт движения двух видов белковых нитей: актина и миозина. Контрактильные (лат. contraho, contractum – стягивать, сокращать) протеины играют ключевую роль в цитоскелете и передвижении веществ внутри клетки. Белок тубулин также входит в состав микротрубочек веретена деления, ресничек и жгутиков эукариотических клеток.
   6. Регуляторная. Крошечные белки, называемые гормонами, служат межклеточными посланниками в теле животных. Другие белки регулируют синтез РНК на ДНК, включая и выключая гены. Кроме того белки получают информацию, действуя в качестве рецепторов клеточной поверхности (эту функцию иногда считают отдельной, называя рецепторной).
   7. Запасающая. Кальций и железо хранятся в организме в виде ионов, связанных с белками хранения. В семенах растений запасаются резервные белки, которые используются зародышем при прорастании, а затем и проростком как источник азота.

1. Энергетическая. После расщепления до аминокислот белки могут служить источником энергии в клетке. При полном окислении 1 г белка выделяется 17,6 кДж энергии. Однако белки расходуются на энергетические нужды лишь в крайних случаях, когда исчерпаны запасы углеводов и липидов.

Сравнительный размер молекул белков. Слева направо: антитело (IgG) (150 кДа), гемоглобин (66,8 кДа), гормон инсулин, фермент аденилаткиназа и фермент глютаминсинтетаза.
Автор: en:User:Gareth White, CC BY-SA 2.0

Функции белков

Функция	Класс белка	Образцы	Примеры использования
Каталитическая	Ферменты	Карбогидразы	Расщепляют полисахариды
Протеазы	Разрушают белки
Полимеразы	Синтезируют нуклеиновые кислоты
Киназы	Фосфорилируют сахара и белки
Защитная	Иммуноглобулины	Антитела	Маркируют чужеродные белки для элиминации (удаления)
Токсины	Змеиный яд	Блокирует нервные импульсы
Клеточные белки-антигены	МНС-белки (главный комплекс гистосовместимости)	Опознание чужеродных белков
Транспортная	Циркуляционные транспортёры	Гемоглобин	Переносит кислород и углекислый газ крови
Миоглобин	Переносит кислород и углекислый газ в скелетных мышцах и мышце сердца
Цитохромы	Транспортируют электроны
Мембранные транспортные белки	Натриево-калиевый насос	Возбуждение мембраны
Протонный насос	Хемиосмос
Транспортёр глюкозы	Транспортирует глюкозу в клетки
Структурная	Волокна	Коллаген	Образует хрящ
Кератин	Формирует волосы, ногти, перья и др.
Фибрин	Образует сгустки крови
Двигательная	Мускулы	Актин	Сокращение мышечных волокон
Миозин	Сокращение мышечных волокон
Регуляционная	Осмотические белки	Сывороточный альбумин	Поддерживает осмотическую концентрацию крови
Регуляторы генов	Репрессор	Регулирует транскрипцию
Гормоны	Инсулин	Контролирует уровень глюкозы в крови
Вазопрессин	Увеличивает задержку воды почками
Окситоцин	Регулирует сокращение матки и выделение молока
Запасающая	Ион-связывание	Ферритин	Хранит железо, особенно в селезёнке
Казеин	Хранит ионы в молоке
Кальмодулин	Связывает ионы кальция

Белки – это полимеры

Белки, или протеины – это нерегулярные (не имеющие определённой закономерности в последовательности мономеров) полимеры, состоящие из мономеров, называемые аминокислотами. Протеины, в состав молекул которых входит от пятидесяти до нескольких тысяч остатков аминокислот, называются белками. Молекулы с меньшим количеством мономеров именуются пептидами.

Общие сведения о пептидах и белках

Белок состоит из одной или нескольких длинных неразветвлённых цепей. Каждая цепь называется полипептидом и состоит из аминокислот, скреплённых пептидными связями. Термины «белок» и «полипептид» часто используются свободно, что может вызывать путаницу. Для белка, который включает только одну полипептидную цепь, оба термина являются синонимами.

В природе существуют около 500 аминокислот. В образовании белков обычно (но не всегда) участвуют только 20 из них – их называют белокобразующими. Порядок соединения мономеров в белке определяет его структуру и функции. Многие учёные считают, что аминокислоты были первыми органическими молекулами, появившимися на Земле. Возможно, океаны, которые существовали в начале истории нашей планеты, содержали большое их разнообразие.

Белокобразующие аминокислоты

Автотрофные организмы синтезируют все необходимые им аминокислоты из продуктов фотосинтеза и азотсодержащих неорганических соединений. Для гетеротрофов источником аминокислот являются продукты питания. В организме человека и животных некоторые аминокислоты могут синтезироваться из продуктов обмена веществ (в первую очередь — из других аминокислот). Такие аминокислоты называются заменимыми.

Другие же, так называемые незаменимые аминокислоты, не могут быть собраны в организме и поэтому должны постоянно поступать в него в составе белков пищи. Протеины, содержащие остатки всех незаменимых аминокислот, называются полноценными. Неполноценные белки – это те, в составе которых отсутствуют остатки тех или иных незаменимых аминокислот.

Незаменимыми аминокислотами для человека являются: триптофан, лизин, валин, изолейцин, треонин, фенилаланин, метионин и лейцин. Для детей незаменимыми являются также аргинин и гистидин.

Полипептидные цепи могут быть очень длинными и включать самые разные комбинации аминокислотных остатков. Каждый конкретный белок характеризуется строго постоянным составом и последовательностью аминокислот.

Димер мембранного белка кальсеквестрина.
Deposition authors: Wang, S., Trumble, W.R., Liao, H., Wesson, C.R., Dunker, A.K., Kang, C., CC BY 3.0

Белки, образованные только остатками аминокислот, называются простыми. Сложными являются протеины, имеющие в своём составе компонент неаминокислотной природы. Это могут быть ионы металлов (Fe 2+ , Zn 2+ , Mg 2+ , Mn 2+ ), липиды, нуклеотиды, сахара и др. Простыми белками являются альбумины крови, фибрин, некоторые ферменты (трипсин) и др. Сложные белки – это большинство ферментов, иммуноглобулины (антитела).

Состав аминокислот

Аминокислоты, как следует из их названия, содержат основную аминогруппу (— NH₂), а также кислотную карбоксильную группу (—COOH), обе они связаны с центральным атомом углерода. Углерод дополнительно скреплен с водородом и функциональной белковой группой, называемой радикалом (R). Эти компоненты полностью заполняют все связи центрального атома углерода.

Общая структура α-аминокислот, составляющих белки (кроме пролина).
Автор: User:X-romix

Уникальный характер каждой аминокислоты определяется природой группы радикала. Обратите внимание, что если группа радикала не содержит атома водорода (Н), как в глицине, то аминокислота хиральна и может существовать в форме двух энантиомеров: d или L. В белках живых систем содержатся обычно α (L)-аминокислоты, а β (d)-аминокислоты встречаются крайне редко.

Группа радикала определяет химические свойства аминокислот – они могут быть полярными или неполярными, гидрофобными или гидрофильными. Серин с радикалом -CH₂OH является полярной молекулой, Аланин, который имеет –CH₃ как группу радикала – неполярен.

Существуют также основные аминокислоты (более чем с одной аминогруппой) и кислые аминокислоты (более чем с одной карбоксильной группой). Наличие дополнительной амино- или карбоксильной группы оказывает влияние на свойства аминокислоты, которые играют определяющую роль в формировании пространственной структуры белка.

В состав радикала некоторых аминокислот (например, цистеина) входят атомы серы. Все 20 аминокислот сгруппированы в пять химических классов, основанных на группе их радикала.

1. Неполярные аминокислоты, такие как лейцин, часто имеют в качестве радикала —CH₂ или —CH₃.
2. Полярные незаряженные аминокислоты, такие как треонин, с радикалом, содержащим кислород или гидроксильную группу (-OH).
3. Заряженные аминокислоты, такие как глутаминовая кислота, с радикалом, имеющим кислоты или основания, способные к ионизации.
4. Ароматические аминокислоты, такие как фенилаланин, имеющий группу радикала, содержащую органическое (углеродное) кольцо с чередованием одиночных и двойных связей. Они также неполярны.
5. Аминокислоты, обладающие особыми функциями и свойствами. Например, метионин, который часто является первой аминокислотой в цепи белков, пролин, вызывающий перегибы в цепях, цистин, связывающий цепи вместе.

Каждая аминокислота влияет на форму белка по-разному, в зависимости от химической природы боковых групп. Например, части белковой цепи с многочисленными неполярными аминокислотами сворачиваются внутрь своей цепи путём гидрофобного исключения.

Белки и пептидные связи

В дополнении к группе радикала каждая аминокислота имеет положительно заряженную аминогруппу (NH₃ +) на одном конце и отрицательно заряженную гидроксильную группу (COO -) на другом. Амино- и карбоксильные группы у пары аминокислот могут подвергаться реакции дегидрации (выделение молекулы воды) с образованием ковалентной связи. Ковалентная связь, скрепляющая две аминокислоты, называется пептидной. Скреплённые таким способом аминокислоты не могут свободно вращаться вокруг N-C связи. Этот факт является основным фактором образования конструкции белковых молекул.

Пептидная связь

Наличие как основной, так и кислотной групп обусловливает амфотерность (проявление как кислотных, так и основных свойств) и высокую реакционную способность аминокислот.

При соединении двух аминокислот образуется дипептид. На одном конце молекулы дипептида находится свободная аминогруппа, на другом — свободная карбоксильная группа. Благодаря этому дипептид может присоединять к себе другие аминокислоты, образуя олигопептиды. Если таким образом соединяется более 10 остатков аминокислот, то образуется полипептид.

Новаторская работа Фредерика Сангера в начале 1950-х годов доказала, что каждый вид белка имеет определённую аминокислотную последовательность. Для отщепления аминокислот он использовал химические методы, после этого определял их. Сангер преуспел в расшифровке аминокислотной последовательности инсулина. Он продемонстрировал, что все молекулы инсулина имеют одинаковый состав аминокислот.

Уровни структурной организации белков

Форма белка определяет его функцию. Один из способов изучить что-то столь же маленькое как белок – посмотреть на него при помощи коротковолнового излучения, которое представлено рентгеновскими лучами. Рентгеновские лучи пропускают через белок для получения дифракции его узора. Эта картинка кропотливо анализируется и позволяет исследователю построить трёхмерное изображение молекулы с положением каждого её атома. Первым белком, проанализированным таким образом, был миоглобин; вскоре такому же анализу был подвергнут связанный с ним белок гемоглобин.

Когда было изучено достаточное количество протеинов, стал очевиден общий принцип их строения: в каждом исследованном белке все внутренние аминокислоты, такие как лейцин, валин и фенилаланин, неполярны. Тенденция воды к исключению неполярных молекул буквально толкает такие части цепи аминокислот внутрь протеина. Неполярные аминокислоты вынуждены тесно контактировать друг с другом, оставляя мало свободного места внутри молекулы. Полярные и заряженные аминокислоты концентрируются на поверхности белка, за исключением немногих, играющих ключевые функциональные роли.

Структура белков, как правило, описывается как иерархия четырёх уровней: первичного, вторичного, третичного и четвертичного. Мы рассмотрим эту точку зрения, а затем интегрируем её с более современным подходом, вытекающим из расширяющихся знаний о белковой структуре.

Уровни организации молекул белка

Первичная структура белков

Первичная структура белка – это его аминокислотная последовательность, т. е. это цепочка из множества аминокислотных остатков, соединённых пептидными связями. Это наиболее важная структура, так как именно она определяет форму, свойства и функции белка. На основе первичной структуры создаются другие формы молекулы.

Группы радикалов, которыми отличаются аминокислоты, не играют роли в пептидной цепи белков и протеин может включать любую последовательность аминокислот. Так как любая из 20 аминокислот может появиться в любом месте, белок, содержащий 100 мономеров, может образовать любую из 20 100 различных аминокислотных последовательностей. Это важное свойство белков позволяет им быть разнообразными, но каждый из них функционирует только при определённой аминокислотной последовательности.

Вторичная структура белка

Боковые и пептидные группы полипептидных цепей могут образовывать водородные связи. Вторичная структура белка возникает в результате связывания атомов водорода NH-групп и кислорода CO-групп. Полипептидная цепь при этом спирально закручивается. Водородные связи слабые, но благодаря их большому числу они обеспечивают стабильность этой структуры. Спиральную конфигурацию имеют, например, молекулы кератина, миозина и коллагена.

Водородные связи пептидов могут образовываться с водой. Если связей с водой будет слишком много, белки не смогут приобрести глобулярной структуры. Лайнус Полинг предположил, что пептидные группы могут взаимодействовать друг с другом, если пептид свёрнут в спираль, которую он назвал α-спиралью. Этот вид регулярного взаимодействия в пептиде формирует его вторичную структуру.

Вторичная структура инсулина

Другая форма вторичной структуры формируется между зонами пептида, расположенными в один ряд, в результате чего получается плоская молекула, собранная в складки, называемая β-листом. Части белка могут быть либо параллельными, либо антипараллельными – в зависимости от того, являются ли смежные участки пептида ориентированными в одном или в противоположном направлении.

Эти два вида вторичной структуры создают зоны белка – цилиндрические (α-спирали) и плоские (β-листы). Конечная структура белка может включать области каждого типа вторичной структуры. Например ДНК-связывающие белки обычно имеют области α-спирали, которые могут лежать поперёк ДНК и взаимодействовать непосредственно с основаниями ДНК. Белки порины, образующие отверстия в мембранах, состоят из β-листов. В гемоглобине α и β-структуры (глобины) имеют в молекуле свои зоны.

Вторичная структура белков

Третичная структура белков

Окончательная структура химически связанных белков называется третичной. Третичная структура формируется за счет образования водородных, ионных и других связей, возникающих в водной среде между разными группами атомов белковой молекулы вторичной структуры.

У некоторых белков важную роль в образовании третичной структуры играют S – S связи (дисульфидные) между остатками цистеина (аминокислоты, содержащей серу). При этом полипептидная спираль укладывается в своеобразный клубок (глобулу) таким образом, что гидрофобные аминокислотные радикалы погружаются внутрь глобулы, а гидрофильные располагаются на поверхности и взаимодействуют с молекулами воды. Третичной структурой определяются специфичность белковых молекул, их биологическая активность. Её имеют многие белки, например миоглобин (белок, который участвует в создании запаса кислорода в мышцах) и трипсин (фермент, расщепляющий белки пищи в кишечнике).

Третичная структура стабилизируется рядом сил, в том числе:

• водородными связами между радикалами различных аминокислот;
• электростатическим притяжением радикалов с противоположными зарядами;
• гидрофобным исключением неполярных радикалов;
• ковалентными дисульфидными связами.

На стадии третичной структуры по форме молекул белки можно разделить на две группы:

• глобулярные – имеют округлую форму. Такую форму имеют глобулины и альбумины крови, фибриноген, гемоглобин;
• фибриллярные – характеризуются вытянутой, нитевидной формой молекул. Это кератин, коллаген, миозин, эластин и др.

Четвертичная структура белка

Когда два или более полипептида связываются с образованием функционального белка, отдельные его цепи называются субъединицами. Расположение этих субъединиц и есть четвертичная структура. Субъединицы в таких белках чаще всего неполярны, поэтому они не связаны химически и отвечают за отдельные виды деятельности. Прочность четвертичной структуры обеспечивается взаимодействием слабых межмолекулярных сил.

Четвертичная структура характерна для белка гемоглобина. Вспомните, что гемоглобин состоит из двух α-цепей и двух β-цепей, а ещё в его состав входит небелковый компонент – гем.

Субъединицы располагаются в их окончательной четвертичной структуре. Это конечная структура некоторых, но не всех белков. У протеинов, которые состоят только из одной полипептидной цепи, например у фермента лизоцима, конечной структурой является третичная.

Мотивы и домены – структурные элементы белков

Ручное определение последовательности аминокислот в белке – трудоёмкая работа. Эту ситуацию изменило открытие способности хранения информации о белке молекулой ДНК. Первоначально геном человека был расшифрован вручную. Появление технологий следующего поколения привело к заметному ускорению секвенирования.

Сегодня расшифрованы более 40 000 бактериальных геномов и почти 8 000 геномов эукариот, в том числе 80 последовательностей генов млекопитающих. Так как состав ДНК имеет непосредственное отношение к последовательности аминокислот в белках, у биологов теперь есть огромная база данных строения протеинов.

Новая информация заставила задуматься о логике генетического кода и основных закономерностях структуры белка. Исследователи до сих пор рассматривают иерархическую систему из четырёх уровней как важную, но в лексикон биологов вошли и новые термины: мотив укладки и белковый домен.

Мотив укладки белковых молекул

Когда биологи обнаружили третичную структуру белка (ещё более трудоёмкая работа, чем определение последовательности аминокислот в цепи), они заметили сходные элементы, расположенные в непохожих белках. Подобные структуры называются мотивами, а иногда «сверхсекундными структурами». Термин «мотив» заимствован из искусства и относится к тематическому повторяющемуся элементу в музыке или дизайне.

Один общий мотив β-α-β образует так называемую «складку Россмана» у большого количества протеинов. Вторым часто встречающимся мотивом является β-баррель, который представляет собой β-лист, сложенный по кругу, чтобы сформировать трубку. Третий тип мотива – спираль-поворот-спираль, состоит из двух α-спиралей, разделённых изгибом. Его используют белки для связывания с молекулой ДНК.

Логику структуры мотивов укладки исследователи до сих пор не могут понять. Вероятно, если аминокислоты являются буквами в языке белков, то мотивы представляют собой повторяющиеся слова или фразы. Мотивы укладки помогли определить неизвестные функции белков, а база данных белковых мотивов используется для поиска новых неизвестных протеинов.

Мотивы укладки являются довольно консервативными и встречаются в белках, которые не имеют ни функциональных, ни эволюционных связей. Определение мотивов укладки лежит в основе физической, или рациональной классификации белков.

Белковые домены

Домены – это функциональные единицы в виде глобулы внутри более крупной структуры белков. Их можно рассматривать как субструктуры внутри третичной структуры белка. В языке белков это «абзацы». Большинство белков состоит из нескольких доменов, которые выполняют различные части функций протеинов.

Во многих структурах эти домены могут быть физически разделены. Например, так устроены факторы транскрипции – белки, которые связываются с ДНК и инициируют построение РНК по комплементарной ей ДНК. Было выяснено, что если ДНК-связывающие области поменять местами с факторами транскрипции, специфичность фактора может быть изменена без изменения его способности стимулировать транскрипцию. Эксперименты по замене доменов были проведены со многими факторами транскрипции, и они указывают, что активационные и ДНК-связывающие домены действуют отдельно.

Эти образования также могут помогать протеинам складываться. По мере того, как полипептидная цепь приобретает свою структуру, домены принимают правильную форму. Это действие может быть продемонстрировано экспериментально. Искусственное продуцирование фрагмента полипептида, который образует домен в интактном белке, показывает, что фрагмент складывается, чтобы сформировать такую же структуру, как у прототипа.

Процесс складывания, белки-шапероны

Первоначально биохимики думали, что новоиспечённые белки сворачиваются спонтанно, пробуя различные конфигурации, как гидрофобные взаимодействия с водой толкают неполярные аминокислоты внутрь белков до тех пор, пока не будет достигнута их окончательная структура. Оказалось, что эта точка зрения слишком проста. Цепи протеинов могут быть сложены многими способами, поэтому пробы и ошибки заняли бы слишком много времени. По мере того как первичная цепь складывается, приобретая финальную структуру, неполярные «липкие» внутренние участки во время промежуточных стадий обнажаются. Если эти промежуточные формы поместить в пробирку со средой, идентичной той, что внутри клетки, они прилипают к другим, и нежелательные белки-партнёры образуют клейкую массу.

Как клетки избегают того, чтобы их белки слипались в массу? Ответ на вопрос появился во время изучения необычных мутаций, которые спасают бактериальные клетки от размножения внутри них вирусов. При этом белки вирусов, произведённые внутри клетки, не могут сложиться как следует. Дальнейшее исследование помогло выяснить, что клетки содержат белки-шапероны, помогающие другим белкам складываться правильно.

Свёртывание белков

В настоящее время молекулярные биологи выявили массу белков, действующих как шапероны. Это большой класс полимеров, который можно разделить на подклассы. Представители шаперонов были найдены в каждом исследуемом организме. Некоторые из них, называемые тепловыми шоковыми белками, вырабатывается в ответ на повышение температуры тела. Высокие температуры служат фактором денатурации белков, шоковые белки-шопероны помогают белкам правильно сворачиваться и в такой ситуации.

Один из хорошо изученных классов этих белков, названных шаперонинами, был изучен у кишечной палочки (Escherichia coli). У мутантов при инактивации шаперонинов 30% бактериального белка не складывались должным образом. Шаперонины собираются в комплекс, напоминающий цилиндрический контейнер. Белки могут заходить в этот контейнер, и даже неправильно сложенные молекулы складываются там заново.

Исследователи склонны думать о белках как о фиксированных структурах, но это не относится к шаперонинам. Их гибкость поразительна. Видимо, это нужно им для выполнения своих функций. Клетки используют эти белки для складывания некоторых молекул протеинов и восстановления их неправильной структуры.

Денатурация инактивирует белки

Еще одной важной особенностью белков является то, что они проявляют свою активность лишь в узких температурных рамках и в определённом диапазоне кислотности среды.

Если условия, окружающие белок, изменяются, то он может частично потерять свою структуру или полностью развернуться. Этот процесс называется денатурацией. Белки могут быть денатурированы, когда рН, температура или ионная концентрация окружающего раствора изменена. Денатурация происходит вследствие разрыва водородных, ионных, дисульфидных и других связей, стабилизирующих пространственную структуру белковых молекул. При этом может утрачиваться их четвертичная, третичная и даже вторичная структуры.

Денатурированные белки как правило биологически неактивны. Это особенно значимо в отношении ферментов: так как почти каждая химическая реакция происходит при их помощи, жизненно важно, чтобы они функционировали нормально.

До появления морозильников и холодильников единственным способом предохранения продуктов от размножения в них микроорганизмов было хранение их внутри раствора, содержащего высокую концентрацию соли или уксуса, которые денатурировали ферменты микроорганизмов и предотвращали их рост.

Большинство ферментов функционирует в очень узком диапазоне условий окружающей среды. У каждого энзима этот диапазон специфичен. Ферменты крови, которые работают при рН около 7,4, быстро денатурируют в кислой среде желудка. И наоборот, протеолитические ферменты желудка, работающие при рН=2 или менее, разбираются в основной среде крови. Аналогично у организмов, живущих вблизи океанических гидротермальных источников, есть ферменты, которые хорошо работают только в экстремальных температурах (до 100°С). Эти организмы не могут выжить в более прохладных водах, потому что их энзимы не функционируют должным образом при относительно низких температурах.

Если нормальные показатели окружающего раствора восстанавливаются, небольшой белок, не потерявший первичной структуры, может восстановиться. Этот процесс называется ренатурацией, он происходит благодаря взаимодействию неполярных аминокислот и воды. Первоначально этот процесс был установлен для энзима рибонуклеазы, его ренатурация привела к выводу, что первичная структура определяет третичную структуру белка. Более сложные белки редко складываются вновь из-за их сложной окончательной структуры. Их денатурация носит необратимый характер.

Важно отличать денатурацию от диссоциации. Субъединицы белков с четвертичной структурой могут быть диссоциированы (разделены) без потери своей индивидуальной третичной структуры. Например, молекула гемоглобина может диссоциировать на 4 молекулы (2 α-глобина и 2 β-глобина) без денатурации свёрнутых глобиновых белков. Они легко восстанавливают свою четвертичную структуру из четырёх субъединиц.

Источник