Деннис Тейлор – Биология. В 3-х томах. Т. 1 (страница 46)

Теоретически все СО- и NH-группы могут участвовать в образовании водородных связей, так что α-спираль — это очень устойчивая, а потому и весьма распространенная конформация. Тем не менее большинство белков существует в глобулярной форме, в которой имеются также участки β-слоя и участки с нерегулярной структурой. Объясняется это тем, что образованию водородных связей препятствуют наличие некоторых аминокислотных остатков в полипептидной цепи, наличие дисульфидных мостиков между различными участками одной и той же цепи и, наконец, тот факт, что аминокислота пролин вообще неспособна образовывать водородные связи.

β-Слой, или складчатый слой, — это другой тип вторичной структуры. Белок шелка фиброин, выделяемый шелкоотделительными железами гусениц шелкопряда при завивке коконов, представлен целиком именно этой формой. Фиброин состоит из ряда полипептидных цепей, вытянутых сильнее, чем цепи с конформацией α-спирали. Эти цепи уложены параллельно, но соседние цепи по своему направлению противоположны одна другой (антипараллельны). Они соединены друг с другом при помощи водородных связей, возникающих между С=O- и NH-группами одной цепи и NH- и С=O-группами соседних цепей. В этом случае в образовании водородных связей также принимают участие все NH- и С=О-группы, т. е. структура тоже весьма стабильна. Такая конформация полипептидных цепей называется (β-конформацией, а структура в целом — складчатым слоем (рис. 5.35). Фиброин обладает высокой прочностью на разрыв и не поддается растяжению, но подобная организация полипептидных цепей делает шелк очень гибким. В глобулярных белках полипептидная цепь может складываться на себя, и тогда в этих точках глобулы возникают участки, имеющие структуру складчатого слоя.

Рис. 5.35. Складчатый слой. Полипептидные цепи удерживаются рядом друг с другом при помощи водородных связей, образующихся между NH- и СО-группами. R-группы аминокислот располагаются над и под плоскостью этого складчатого слоя. А. Две антипараллельные полипептидные цепи. Б. Структура из трех полипептидных цепей изображена здесь так, чтобы показать складки между R-группами

Еще один способ организации полипептидных цепей мы находим у фибриллярного белка коллагена. Здесь три полипептидные цепи свиты вместе, образуя тройную спираль. В каждой полипептидной цепи этой сложной спирали, называемой тропоколлагеном (рис. 5.36), содержится около 1000 аминокислотных остатков. Такой белок тоже невозможно растянуть, и это его свойство существенно для той функции, которую он выполняет, например, в сухожилиях, костной и других видах соединительной ткани. Белки, существующие только в полностью спирализованной форме, подобно кератину или коллагену, представляют собой исключение среди прочих белков.

Рис. 5.36. Трехспиральная структура коллагена

Третичная структура

У большинства белков полипептидные цепи свернуты особым образом в компактную глобулу. Способ свертывания полипептидных цепей глобулярных белков называется третичной структурой. Третичная структура поддерживается уже обсуждавшимися выше связями трех типов — ионными, водородными и дисульфидными, а также гидрофобными взаимодействиями (рис. 5.37). В количественном отношении наиболее важны именно гидрофобные взаимодействия; белок при этом свертывается таким образом, чтобы его гидрофобные боковые цепи были скрыты внутри молекулы, т. е. защищены от соприкосновения с водой, а гидрофильные боковые цепи, наоборот, выставлены наружу.

Рис. 5.37. Связи, стабилизирующие вторичную и третичную структуру белков. Особенно важны для поддержания структуры гидрофобные взаимодействия (объединения неполярных молекул или отдельных частей молекул), позволяющие исключить молекулы воды, что очень существенно, например, для мембран, учитывая водное окружение клетки

Для определения третичной структуры белков можно использовать метод рентгеноструктурного анализа. К началу 1963 г. Кендрью и Перуц (Kendrew, Perutz) определили этим методом вторичную и третичную структуру миоглобина (рис. 5.38). Теперь для миоглобина были известны:

Рис. 5.38. А. Первичная структура миоглобина.

Рис. 5.38. Б. Рентгенограмма миоглобина (из мышц кашалота). Регулярное расположение пятен есть результат рассеяния (дифракции) падающего на фотопленку рентгеновского излучения вследствие его взаимодействия с атомами миоглобина в кристалле. Фотография — это двумерное сечение трехмерного расположения дифракционных пятен. По распределению и интенсивности дифракционных пятен определяют положение отдельных атомов в молекуле. (По J. С. Kendrew, Scientific American, December 1961.) В. Конформация миоглобина, установленная на основе рентгеноструктурного анализа с высоким разрешением. Г. Модель миоглобина

Первичная структура — молекула представляет собой одну полипептидную цепь, построенную из 153 аминокислотных остатков (их последовательность была установлена в начале 60-х годов);

Вторичная структура — около 75% цепи имеет α-спиральную конформацию (восемь спиральных участков);

Третичная структура — α-спираль свернута нерегулярным образом в компактную глобулу;

Простетическая группа — гемогруппа, или гем (содержит железо).

Сведения о функции миоглобина читатель найдет в гл. 14.

Четвертичная структура

Многие белки с особо сложным строением состоят из нескольких полипептидных цепей, удерживаемых в молекуле вместе за счет гидрофобных взаимодействий, а также при помощи водородных и ионных связей. Способ совместной упаковки и укладки этих полипептидных цепей называют четвертичной структурой белка. Четвертичная структура имеется, например, у гемоглобина. Его молекула состоит из четырех отдельных полипептидных цепей двух разных типов: из двух α-цепей и двух β-цепей. Две α-цепи содержат по 141 аминокислотному остатку, а две (β-цепи-по 146 остатков. Полную структуру гемоглобина определили Кендрью и Перуц (Kendrew, Perutz). В схематическом виде она представлена на рис. 5.39.

Рис. 5.39. Структура гемоглобина. Молекула состоит из четырех полипептидных цепей: двух α-цепей и двух β-цепей. С каждой цепью связана одна группа тема, к которой присоединяется молекула кислорода. Гемоглобин — пример белка, состоящего из отдельных субъединиц, т. е. обладающего четвертичной структурой

Некоторые вирусы, например вирус мозаики табака, имеют белковую оболочку, состоящую из многих полипептидных цепей, упакованных высокоупорядоченным образом (рис. 2.15).

5.5.4. Электрические свойства белков

Молекулы белков несут значительное число положительных и отрицательных электрических зарядов. Поэтому белки, подобно аминокислотам, обладают амфотерными свойствами, и каждый из них характеризуется своей особой изоэлектрической точкой. В этой изоэлектрической точке суммарный заряд белка равен нулю. При значениях рН ниже его изоэлектрической точки белок несет суммарный положительный заряд, а при значениях рН, превышающих его изоэлектрическую точку, он несет суммарный отрицательный заряд. И в том и в другом случае этот суммарный заряд (положительный или отрицательный) одинаков для всех молекул данного белка. В результате между молекулами белка существует электростатическое отталкивание, препятствующее их слипанию. В изоэлектрической точке между молекулами белка нет электростатического отталкивания, под действием которого они стремились бы разойтись в разные стороны, и потому в изоэлектрической точке растворимость белка минимальна. Это можно хорошо проиллюстрировать на примере такого процесса, как скисание молока. Казеин — растворимый белковый компонент свежего молока. У свежего молока значение рН лежит гораздо выше изоэлектрической точки казеина. Однако, когда молоко подкисляется молочной кислотой (продуктом жизнедеятельности попавших в него бактерий), его рН снижается и достигает в конце концов изоэлектрической точки казеина (рН 4,7). В этой точке казеин выпадает в осадок в виде белых хлопьев (молоко створаживается). У большинства цитоплазматических белков изоэлектрические точки лежат несколько выше рН 6. Но поскольку рН цитоплазмы приближается к 7, эти белки находятся все же в щелочной среде по отношению к их изоэлектрическим точкам, и поэтому их суммарные электрические заряды отрицательны.

5.5.5. Денатурация и ренатурация белков

Под денатурацией подразумевают утрату трехмерной конформации, присущей данной белковой молекуле. Это изменение может носить временный или постоянный характер, но и в том и в другом случае аминокислотная последовательность белка остается неизменной. При денатурации молекула развертывается и теряет способность выполнять свою обычную биологическую функцию. Вызывать денатурацию белков могут следующие разнообразные факторы.

Нагревание или воздействие каких-либо излучений, например инфракрасного или ультрафиолетового. Кинетическая энергия, сообщаемая белку, вызывает сильную вибрацию его атомов, вследствие чего слабые водородные и ионные связи разрываются. Белок свертывается (коагулирует).

Сильные кислоты, сильные щелочи и концентрированные растворы солей. Ионные связи разрываются, и белок коагулирует. Длительное воздействие реагента может вызвать разрыв и пептидных связей.

Тяжелые металлы. Катионы образуют прочные связи с карбоксил-анионами и часто вызывают разрывы ионных связей. Они также снижают электрическую поляризацию белка, уменьшая его растворимость. Вследствие этого находящийся в растворе белок выпадает в осадок.