По химическому составу белки делятся на простые, состоящие только из аминокислотных остатков, и сложные. Сложные белки могут включать ионы металла (металлопротеины, или металлопротеиды), пигмент (хромопротеины, или хромопротеиды), нуклеиновыми кислотами (нуклепротеины), а также ковалентно связывать остаток фосфорной кислоты (фосфопротеины), углевода (гликопротеины) или НК (геномы некоторых вирусов). Состав аминокислот, образующих белки, выражается общей формулой:
,
в которых радикал может содержать различные функциональные группы (R= - SH, OH,- COOH, -NH2) и кольца. -Аминокислоты в белках ковалентно соединены между собой пептидными связями:
Белковая молекула может состоять из одной или нескольких полипептидных цепей, содержащих от 2-3 десятков до нескольких сотен аминокислотных остатков каждая.
Образование пептидных связей происходит в результате взаимодействия карбоксила одной аминокислоты с аминогруппой другой. При этом из 2 -аминокислот образуются пептиды с выделением одной молекулы воды:
Из трех аминокислот образуются трипептиды, из большого числа аминокислот - полипептиды.
Функции, выполняемые белками, распределяются примерно следующим образом.
Структурообразующие функции. Структурные белки отвечают за поддержание формы и стабильности клеток и тканей. В качестве примера структурного белка - коллаген. К структурным белкам можно отнести также гистоны, функцией которых является организация укладки ДНК в хроматине. Структурные единицы хроматина, нуклеосомы, состоят из октамерного комплекса гистонов, на который навита молекула ДНК (DNA).
Транспортные функции. Наиболее известным транспортным белком является гемоглобин эритроцитов (слева внизу), ответственный за перенос кислорода и диоксида углерода между легкими и тканями. В плазме крови содержатся множество других белков, выполняющих транспортные функции. Так, преальбумин переносит гормоны щитовидной железы -- тироксин и трииодтиронин. Ионные каналы и другие интегральные мембранные белки осуществляют транспорт ионов и метаболитов через биомембраны.
Защитные функции. Иммунная система защищает организм от возбудителей болезней и чужеродных веществ. Например, иммуноглобулин G, который на эритроцитах образует комплекс с мембранными гликолипидами.
Регуляторные функции. В биохимических сигнальных цепях белки осуществляют функции сигнальных веществ (гормонов) и гормональных рецепторов. В качестве примера здесь представлен комплекс гормона роста соматотропина с соответствующим рецептором. При этом экстрацеллюлярные домены двух молекул рецептора связывают одну молекулу гормона. Связывание с рецептором активирует цитоплазматические домены комплекса и тем самым обеспечивает дальнейшую передачу сигнала. В регуляции обмена веществ и процессов дифференцировки принимают решающее участие ДНК-ассоцированиые белки (факторы транскрипции). Особенно детально изучено строение и функции белков-активаторов катаболизма и других бактериальных факторов транскрипции.
Катализ. Среди 2000 известных белков наиболее многочисленную группу составляют ферменты. Самые низкомолекулярные из них имеют мол. массу 10-15 кДа. Белки среднего размера, как, например, приведенная на схеме алкогольдегидрогеназа, имеют мол.массу 100-200 кДа. Молекулярная масса высокомолекулярных ферментов, к которым относится глутаминсинтетаза, построенная из 12 мономеров, могут достигать 500 кДа.
Двигательные функции. Взаимодействие актина с миозином ответственно за мышечное сокращение и другие формы биологической подвижности. Гексамер миозина длиной 150 нм -- один из наиболее крупных белков. Нитевидный актин (F-актин) образуется путем полимеризации относительно небольших молекул глобулярного актина (G-актин). Процессом сокращения управляют ассоциированный с F-актином тропомиозин и другие регуляторные белки.
Запасные функции. В растениях содержатся запасные белки, являющиеся ценными пищевыми веществами. В организмах животных мышечные белки служат резервными питательными веществами, которые мобилизуются при крайней необходимости.
В настоящее время различают первичную, вторичную и третичную структуры белковой молекулы.
Первичная структура белка - его химическая структура, т.е. последовательность чередования аминокислотных остатков в полипептидной цепи данного белка.
Вторичная структура белка - форма полипептидной цепи в пространстве. Установлено, что полипептидные цепи природных белков находятся в скрученном состоянии - в виде спирали. Спиральная структура удерживается водородными связями, возникающими между группами СО и NH аминокислотных остатков соседних витков спирали. Подобная вторичная структура получила название -спирали. Водородные связи в ней направлены параллельно длинной оси спирали (-спирали чередуются с аморфными частями). Такое представление является общепризнанным. Вытянутые полипептидные цепи имеет лишь небольшое число белков, например, белок натурального шелка - фиброин, вязкая сиропообразная жидкость, затвердевающая на воздухе в прочную нерастворимую нить.
Третичная структура белка - реальная трехмерная конфигурация, которая принимает в пространстве закрученная спираль полипептидной цепи. В простейших случаях третичную структуру можно представить как спираль, которая в свою очередь свернута спиралью. У такой структуры в пространстве имеются выступы и впадины с обращенными наружу функциональными группами. Третичной структурой объясняется специфичность белковой молекулы, ее биологическая активность. Определяющими факторами образования и удержания третичной структуры белков являются связи между боковыми радикалами аминокислотных остатков (дисульфидные мостики атомов серы, солевые мостики из аминогруппы и карбоксила, водородные мостики)
Физические и химические свойства белков
Строением белков объясняются их весьма разнообразные свойства. Они имеют разную растворимость: некоторые растворяются в воде, другие - в разбавленных растворах нейтральных солей, а некоторые совсем не обладают свойством растворимости (например, белки покровных тканей). При растворении белков в воде образуется своеобразная молекулярно-дисперсная система (раствор высокомолекулярного вещества). Некоторые белки могут быть выделены в виде кристаллов (белок гемоглобина крови).
Химические свойства
1) Подобно аминокислотам, белки проявляют амфотерные свойства. При действии щелочей белок реагирует в форме аниона - соединяется с катионом щелочи, образуя соль альбуминат:
2) При действии же кислот он становится катионом, образуя синтонин:
Если в молекуле белка преобладают карбоксильные группы, то он проявляет свойства кислот, если же преобладают аминогруппы, - свойства оснований. Присутствие белка можно обнаружить рядом цветных реакций. Эти реакции свойственны составным частям белка - аминокислотам или образуемым ими группировкам.
3) Биуретовая реакция (реакция на наличие пептидных связей). Биурет образуется при нагревании мочевины с отщеплением от нее аммиака:
4) Нингидриновая реакция.
Эта реакция характерна для аминогруппы в -положении. Белки с нингидрином дают синее или фиолетовое окрашивание:
5) Ксантопротеиновая реакция.
Эта реакция характерна для бензольного ядра циклических аминокислот. При действии крепкой азотной кислоты на эти аминокислоты происходит нитрование кольца с образованием нитросоединений желтого цвета [48, 49].
2. К белковым веществам относятся ферменты, или энзимы, выполняющие в живом организме функцию катализаторов высокой селективности и при очень мягких условиях. Это избирательное действие обусловлено комплиментарностью структур реагирующего субстрата и фермента -- тем, что заряд или выступающая группа на поверхности одного из них отвечает противоположному заряду или полости у другого (принцип «ключа к замку» -- см. рис. 12). Вследствие этого молекулы фермента и субстрата настолько сближаются, что резко возрастает эффективность межмолекулярных сил, противостоящих тенденции молекулярно-кинетического движения разъединить взаимодействующие частицы, происходит специфическая адсорбция (образование фермент-субстратного комплекса). Те же силы могут играть существенную роль в самом возникновении структурного соответствия между субстратом и ферментом.
Рис. 12. Схематическое изображение фермент-субстратного комплекса, участвующего в реакции фосфорнокислого остатка АТФ с группой ОН глюкозы: 1 -- молекула АТФ; 2--молекула глюкозы; 3 -- фермент
Так как дальнейшая реакция протекает в пределах комплекса, в котором молекулы реагирующих веществ благоприятно ориентированы, резко возрастает число эффективных столкновений и, следовательно, скорость реакции. В простейшем случае гидролиза производных кислот под действием биокатализаторов, содержащих только одну активную группу (В :), роль фермента можно схематически изобразить следующим образом:
При наличии в ферменте (например, б-химотрипсин) двух групп противоположной электрохимической природы (--О- и --NH+) они могут участвовать в согласованной электрофильно-нуклеофильной атаке на субстрат, что значительно облегчит разрыв соответствующей связи и снизит энергию активации реакции («кооперативный эффект»). Вероятный механизм гидролиза сложного эфира ароматической кислоты под влиянием б-химотрипсина:
Действие ферментов очень чувствительно к конформации макромолекулы и надмолекулярной структуре его. Например, если в результате денатурации и выпрямления цепи б-химотрипсина активные группы значительно удалятся друг от друга, то «кооперативный эффект» исчезает и скорость гидролиза падает в миллион раз.
Большая активность ферментов обусловлена высоким значением предэкспонента А (эффект ориентации) в уравнении Аррениуса и низкой энергии активации («кооперативный эффект»).
3. Нуклеиновые кислоты, которые делятся на дезоксирибонуклеиновую (ДНК) и рибонуклеиновую (РНК) кислоты, были открыты в клеточном ядре (nucleus -- ядро); РНК встречается также и в других частях клетки. Обе кислоты являются линейными полимерами, молекулярная цепь которых состоит из чередующихся остатков фосфорной кислоты и нуклеозидов. Нуклеозиды построены из звеньев циклической формы D-рибозы (РНК) или D-дезоксирибозы (ДНК) и остатков различных гетероциклических оснований, способных к попарному взаимодействию с образованием водородных мостиков. У РНК такие основания - аденин (А), цитозин (Ц), гуанин (Г) и урацил, у ДНК - аденин, цитозин, гуанин и тимин (Т):
Как видно из формул, пара Г -- Ц может образовать три водородных мостика, а пара А -- Т -- только два.
Так как рибоза (дезоксирибоза) соединяется с органическими основаниями за счет аминного водорода и глюкозидного гидроксила, нуклеозиды должны быть отнесены к N-глюкозидам, где роль агликона выполняют упомянутые основания
РНК реагирует с гидроксильными группами углеводов; при гидролизе РНК наряду с рибозой и соответствующими основаниями образуется фосфорная кислота. Аналогичные результаты - при гидролизе ДНК.
Если условно обозначить основания через , то строение ДНК можно изобразить следующим образом:
или схематически
ДНК имеет молекулярный вес порядка 107 и в условиях клетки нерастворима. Существует несколько разновидностей РНК, среди которых наиболее активными в биосинтезе белка являются:
растворимая, или транспортная, РНК (т-РНК) с Мr около 25 000;
информационная РНК (и-РНК) с молекулярным весом порядка 6105-106.
ДНК является материальным носителем наследственности и входит в состав генов, из которых состоят хромосомы клетки. Макромолекулы ДНК связаны между собой попарно при помощи водородных мостиков в виде двойной спирали постоянного диаметра (рис. 13). При этом остатки гетероциклических оснований, находящиеся в боковой цепи, упакованы в середине спирали, как стопка монет. Аналогичную структуру имеет РНК.
Для обеспечения наибольшей устойчивости этой структуры необходимо, чтобы число водородных связей было максимально возможным. Это достигается тем, что соблюдается определенное соответствие в расположении остатков оснований одной спирали по отношению к остаткам другой: тиминовые группы располагаются напротив адениновых, цитозиновые напротив гуаниновых и т. д. («узнают» друг друга).
Рис. 13. Двойная спираль ДНК (по Крику и Уотсону)
Кроме того, только при выполнении этого условия будет обеспечено экспериментально доказанное постоянство суммарных размеров, боковых групп и неизменность диаметра двойной спирали на всем ее протяжении. В этой взаимной обусловленности порядка чередования звеньев в обеих цепях заключается принцип комплементарности, благодаря чему каждая цепь определяет структуру другой, являясь как бы ее репликой.
Спирализация приводит к возникновению так называемой «вторичной» структуры ДНК; при изгибании спирали появляется «третичная» структура и т. д. Возникновение изогнутой спирали, обусловлено наличием в спирали неупорядоченных гибких участков, где действие водородных связей почему-либо ослаблено. Однако двойная спираль -- там, где она сохранилась -- является достаточно жестким образованием и, следовательно, обладает небольшим числом степеней свободы. Поэтому она стремится разделиться на одиночные цепи (длина сегмента примерно в 50 раз больше, чем у гибких полимерных цепей), способные принять более вероятное состояние свернутого клубка; такой переход «спираль -- клубок» сопровождается возрастанием энтропии системы, являющимся движущей силой этого процесса, и действительно имеет место при плавлении кристаллов ДНК (около 80°С). Аналогичный процесс разрушения водородных мостиков и биспиральной структуры, но без свертывания цепей в клубок, наблюдается во время подкисления или подщелачивания растворов ДНК. При этом на каждой макромолекуле возникают одноименные заряды (в результате присоединения протонов к аминогруппам или усиления диссоциации остатков фосфорной кислоты), вызывающие взаимное отталкивание цепей.
Если двойная спираль находится в растворе, содержащем большое количество различных нуклеотидов, т. е. нуклеозидов, химически связанных с фосфорной кислотой, то в результате замены водородных связей между цепями такими же связями их с нуклеотидами произойдет сорбция последних и одновременное разделение спирали на две самостоятельные макромолекулы (рис. 14). При этом нуклеотиды отбираются так, чтобы соблюдался принцип комплементарности; во время дальнейшей поликонденсации, протекающей под влиянием ферментов, на каждой цепи ДНК вырастает другая, являющаяся ее репликой. Этот процесс редупликации (копирования) макромолекул приводит к возникновению новых «дочерних» двойных спиралей.
Рис. 14. Схема редупликации ДНК
Двойная спираль ДНК не только является матрицей воспроизведения самой себя, она также передает информацию, «записанную» в ее структуре, нуклеотидам, участвующим в синтезе РНК, тем самым предопределяет порядок их расположения в образующейся макромолекуле. Информационная РНК, на каждой цепи которой запечатлена структура молекулы определенного белка, играет ту же роль при образовании полипептидной цепи. В этом случае процесс осложняется тем, что в и-РНК имеется всего 4 нуклеотидных звена, а в белке - 20 аминокислотных. Поэтому для фиксации положения каждого аминокислотного остатка требуется не меньше трех нуклеотидных. Иначе говоря, химическое строение макромолекулы белка кодируется структурой и-РНК подобно тому, как кодируется текст с помощью азбуки Морзе.
С другой стороны, отсутствие структурного соответствия между суммарными размерами трех нуклеотидных звеньев (21 А) и величиной одного аминокислотного (3,6 А) исключает образование из них промежуточного комплекса, без которого невозможен синтез полипептидной цепи на матрице и-РНК. По мнению Крика, промежуточный комплекс все же получается, но более сложным путем, с участием т-РНК (адаптор). При этом один конец макромолекулы т-РНК избирательно образует лабильную связь с остатком определенной аминокислоты («узнает» ее) за счет реакции АМФ -- АК с группой ОН рибозы:
а второй присоединяет триплет нуклеотидов (кодон), который комплиментарен трем нуклеотидам, находящимся на этом конце т-РНК. В соответствии с адапторной гипотезой Крика, в синтезе белка участвует 20 специфических т-РНК (по одной на каждую аминокислоту). Решающую роль в выборе аминокислоты играет селективный фермент, обладающий сродством к боковой группе (R) этой кислоты и к ее адаптеру.
Образовавшиеся АК -- т-РНК затем диффундируют к рибосомам, которые ориентируют их относительно одноцепочной и-РНК таким образом, чтобы обеспечить точное «считывание» генетического кода, т. е. строго определенную последовательность остатков аминокислот. В дальнейшем расщепляется богатая энергией связь АК -- т-РНК с возникновением энергетически бедной пептидной связи:
H2N--CHR'--СОО--т-РНК' + Н2N--CHR"--COO--т-РНК" >
> H2N--CHR'--CO--NH--CHR"--COO--РНК" + т-РНК'
Рис. 15. Схематическое изображение этапов биосинтеза белка: 1 -- и-РНК; 2 -- рибосома; 3--т-РНК; 4 -- комплекс т-РНК -- аминокислота
4. На рис. 15 в схематическом виде изображен один из этапов роста полипептидной цепи [69, 70]. В результате присоединения новых АК -- т-РНК и движения рибосом (точнее, полирибосом) по цепи и-РНК образуется белковая макромолекула, которая затем отделяется от матрицы и-РНК.
Биосинтез белка сопровождается уменьшением свободной энергии, несмотря на то, что F образования пептидной связи из самих аминокислот больше нуля; объясняется это тем, что пирофосфатная связь АТФ поставляет недостающую энергию смешанному ангидриду и комплексу АК -- т-РНК, являющимся как бы активированными предшественниками синтеза белка.
Можно осуществить синтез полипептидов, сходных по химическому строению с белками, в лабораторных условиях; для этого сначала отщепляют воду от двух молекул аминокислот, предварительно «защищая» аминогруппу одной из них и карбоксильную группу другой:
где Х - защитная группа, например n-NO2-C6H4-S- , а Y+ -- протонизированный триэтиламин, HN+(C2H5)3.
Аналогично из дипептида синтезируют трипептид, из него -- тетрапептид и т. д., получая в конечном итоге полипептиды со строго определенным чередованием аминокислотных остатков. Во всех этих реакциях дегидратирующим агентом обычно служат диимиды:
C6H11--N=C=N--С6Н11 + Н2О > С6Н11NHCONHC6H11
Принципиально новым подходом к этому вопросу является твердофазный пептидный синтез, где растущая цепь все время химически связана со стороны группы СООН с таким трехмерным полимером, как хлорметилированный сополимер стирола и дивинилбензола, подвергнутый еще нитрованию (полимер обозначен через П):
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10
