Лекция 3
Белки являются «строительным материалом» и «инструментами», осуществляющими процессы жизнедеятельности. Огромное, практически бесконечное разнообразие белков позволяет им справляться почти со всеми функциями живого. Белки — это линейные нерегулярные полимеры, мономерами которых являются аминокислоты.
Аминокислоты. Аминокислотами называются органические соединения, в состав которых входят две функциональные группы: карбоксильная группа и аминогруппа. Группировка, в которой к одному атому углерода присоединены и карбоксильная, и аминогруппа (α-положение), называется пептидной группой. В природе обнаружено около 200 аминокислот, из них в большинстве организмов встречается около 60, но в состав белков входит только 22 аминокислоты. Различаются они R-группой (радикалом).
По способности взаимодействовать с водой (или полярности) при физиологических значениях все аминокислоты можно разделить на четыре класса в зависимости от свойств R-групп:
1) Аминокислоты, содержащие неполярные (гидрофобные) радикалы. Это аланин, валин, лейцин и изолейцин; метионин; фенилаланин и триптофан; глицин и пролин.
2) Аминокислоты с полярными незаряженными радикалами, способными образовывать водородные связи с водой. Это серин, треонин и тирозин; цистеин; аспарагин и глутамин, селеноцистеин и пирролизин.
3) Аминокислоты с отрицательно заряженными (кислыми) R-группами. Это аспарагиновая и глутаминовая кислоты.
4) Аминокислоты с положительно заряженными R-группами. Это лизин, аргинин и гистидин.
Первичная структура белка. Белки представляют собой цепочку соединенных друг с другом аминокислот. Такое соединение возможно потому, что аминокислоты обладают двумя функциональными группами: кислотной и основной. Эти группы в одной молекуле аминокислоты нe могут взаимодействовать между собой из-за жесткости ее структуры, но реагируют друг с другом, если находятся в разных молекулах. Две аминокислоты можно соединить вместе, если отщепить от них молекулу воды. Аминокислоты соединяются в полипептид с помощью ковалентных пептидных (амидных) связей. Первичная структура белка представлена цепочкой расположенных в определенной последовательности аминокислотных остатков в полипептиде. Подавляющее большинство природных белков являются нерегулярными полимерами. Регулярные белки с закономерным чередованием аминокислот встречаются крайне редко. Это всегда структурные белки, представляющие собой очень длинные прочные нити. Примером является белок шелка фиброин. Это полимер, в котором регулярно повторяется шестерка аминокислот Гли-Ала-Гли-Ала-Гли-Сер. Почти регулярную первичную структуру имеет коллаген — структурный белок соединительной ткани кожи, хрящей и сухожилий. Благодаря нерегулярности разнообразие возможных белков практически бесконечно.
Вторичная структура белка может быть регулярной α-спиралью, нерегулярными β-складками, либо соединительными петлями. В α-спирали карбонильная группа -С=0 одного аминокислотного остатка образует водородную связь с группой -NH другого аминокислотного остатка, находящегося через четыре мономера от него. На один виток α-спирали приходится 3,6 аминокислотных остатков. β-складки также образуются с помощью водородных связей. При этом молекула не закручивается в спираль, а складывается «гармошкой». Как правило, в одной молекуле полипептида чередуются участки α и β-структур. Эти участки отличаются по своим физическим свойствам - β -слои более жесткие.
Имеются также участки полипептидной цепи, которые по конформации нельзя отнести ни к α-спирали, ни к β-складчатому слою. Их называли беспорядочным клубком, или петлями полипептидной цепи. Их структура в основном определяется взаимодействиями боковых цепей входящих в них аминокислотных остатков; в молекулах любого конкретного белка она фиксирована, а не беспорядочна, как можно ожидать из названия. Да и слово «клубок» здесь не слишком уместно, поскольку речь идет не о произвольной конформации. Более правильный термин - соединительные петли.
Третичная структура белка - это пространственная конформация полипептида, имеющего вторичную структуру, обусловленная взаимодействиями между радикалами аминокислот.
Существует четыре типа взаимодействий между радикалами.
1. Ковалентные связи между остатками двух цистеинов — так называемые дисульфидные мостики.
2. Ионные (электростатические) взаимодействия между противоположно заряженными радикалами аминокислотных остатков.
3. Водородные связи образуют все аминокислотные радикалы, имеющие гидроксильные, амидные или карбоксильные группы.
4. Гидрофобные взаимодействия возникают между неполярными радикалами в водной среде. Выталкиваемые из воды гидрофобные радикалы аминокислот, стремясь занять наименьший объем, формируют гидрофобное «ядро», внутри которого вода отсутствует. В результате молекула приобретает сложную пространственную конформацию, только сохраняя которую белок может выполнять свою биологическую функцию. Гидрофобное ядро образуется в водной среде у большинства белков.
Белковые модули, или домены. В трехмерной структуре больших белков иногда обнаруживается не одна, а несколько в той или иной степени независимо образованных компактных областей, соединенных малоструктурированными полипептидными участками. На основании этого было введено понятие белковых модулей, или доменов, под которыми понимают фрагменты полипептидной цепи, сходные по своим свойствам с самостоятельными глобулярными белками (Слайд 17г).
Четвертичная структура белка - это объединение двух или большего числа полипептидных цепей, имеющих третичную структуру, для выполнения общей функции. Четвертичную структуру поддерживают водородные, электростатические и дисульфидные связи. Четвертичной структурой обладает около 5 % белков, в том числе гемоглобин, иммуноглобулины, инсулин. Почти все матричные ферменты (ДНК- и РНК-полимеразы) имеют четвертичную структуру.
Правильные вторичная, третичная и четвертичная структуры белков — необходимое условие их функционирования. Например, некоторые белки могут устойчиво существовать и в форме α-спирали, и в форме β-слоев. При этом функциональной, «правильной», является только одна из этих структур (следует понимать, что для белка обе конфомации являются правильными, неправильны они только для организма). Изменение «правильной» формы существенно меняет свойства белков, что может привести к заболеванию. К таким заболеваниям относятся: губчатый энцефалит, серповидно-клеточная анемия и др.
Глобулярные и фибриллярные белки. 95 % белков имеют гидрофобное ядро. Молекулы таких белков формируют в водной среде округлые частицы - глобулы. Остальные 5% белков имеют нитевидную форму. Это фибриллярные белки. Подавляющее число глобулярных белков растворимо. Это связано с тем, что гидрофобные радикалы составляющих их аминокислот «спрятаны» внутри глобулы. Фибриллярные белки содержат больше заряженных аминокислот, чем глобулярные. Отдельные полипептидные цепи этих белков растворимы, а их комплексы неполярны и нерастворимы. Примерами таких белков могут служить α-кератины (на их долю приходится почти весь сухой вес волос, шерсти, рогов, копыт, ногтей, перьев), коллаген (белок кожи, сухожилий, хрящей), фиброин (белок шелка).
Мембранные белки. Белки, пронизывающие биологические мембраны, имеют особое строение: они состоят из двух экспонированных на поверхности мембраны «водорастворимых» частей, которые соединены спиральным тяжем, расположенным внутри мембраны. Недостаток такой конструкции очевиден: контакты полярных групп белка с внутренним углеводородным слоем мембраны делают молекулу нестабильной.
Денатурация и ренатурация. Большинство межрадикальных взаимодействий, поддерживающих пространственную конформацию белковых молекул, легко нарушаются при изменении внешних условий. При повышении температуры, например, разрываются водородные связи, усиливающееся броуновское движение нарушает компактность гидрофобных ядер. Изменение ионной силы раствора может нарушить электростатические взаимодействия. Такие воздействия приводят к денатурации — нарушению нативной (природной, «правильной») третичной и четвертичной структуры белковых молекул, что обычно сопровождается потерей функциональной активности. Денатурация может быть обратимой, когда при нормализации условий происходит восстановление нативной структуры, и необратимой.
Фолдинг - сворачивание полипептида в нативную третичную структуру; является необходимым условием функционирования белка. Синтезируемые в клетке полипептидные цепи представляют собой полностью развернутые молекулы. Для того чтобы белок приобрел присущие ему функциональные свойства, цепь должна определенным образом свернуться в пространстве. Для третичной структуры каждого белка характерно определенное сочетание элементов вторичной структуры: α-спиралей, β-слоев, а также гибких участков — петель.
Процесс сворачивания протекает в несколько стадий. Сначала быстро образуется вторичная структура — участки α-спиралей и| β-cлоев. Способность того или иного участка молекулы сложиться в α-спираль, β-cлойили в петлю зависит от последовательности аминокислот в молекуле. Затем также очень быстро образуются отдельные элементы третичной структуры.
Следующая стадия — медленное образование специфической пространственной конформации (главным образом за счет гидрофобных взаимодействий). Так как гидрофобные взаимодействия неспецифичпы, па этом этапе возможны ошибки. Это связано с тем, что могут «склеиться» гидрофобные участки разных молекул, т. е. произойдет неспецифическая агрегация. Функциональный белок при этом не образуется. Чтобы предотвратить это нежелательное событие, в клетке существуют специальные белки, называемые молекулярными шаперонами и шаперонинами (английское слово chaperone близко по смыслу к слову «гувернантка», «наставница», «дуэнья»). Шапероны начинают взаимодействовать с синтезируемым белком еще до его схождения с рибосомы. Они связываются с полностью или частично развернутой молекулой белка и удерживают ее, экранируя гидрофобные группы и предохраняя ее от неспецифической агрегации. Далее шапероны передают молекулу белка другому белку-помощнику - шаперонину. Шаперонины, в отличие от относительно просто устроенных шаперонов, представляют собой сложные белки, состоящие из большого числа субъединиц. Они похожи на стаканчик с полостью внутри. В эту полость помещается принесенная шаперонами полипептидная цепь, после чего «стаканчик» закрывается «крышечкой». Попавшая внутрь шаперонина молекула оказывается полностью изолированной и получает возможность без помех осуществить стадию медленного сворачивания. Субъединицы шаперонина, получая энергию от АТФ, периодически меняют свою конформацию, как бы «встряхивая» содержимое «стаканчика», чем способствуют более быстрому протеканию этой стадии. Когда белок приобретает нативную структуру, «крышечка» открывается и готовая молекула покидает шаперонин. Шапероны и шаперонины не только «воспитывают» только что синтезированные молекулы белка, но и «чинят» белки, третичная структура которых почему-либо нарушилась. Впервые шапероны и были обнаружены при так называемом «тепловом шоке» клеток, поэтому их часто называют «белками теплового шока».
ФУНКЦИИ БЕЛКОВ.
Белком называют отдельный полипептид или агрегат нескольких полипептидов, выполняющий биологическую функцию. Полипетид (понятие химическое) представляет собой одну полимерную цепочку, состоящую из аминокислот. Белок (понятие биологическое) может представлять собой как отдельную молекулу полипептида, так и объединение нескольких полипептидов.
Каталитическая функция. Практически все ферменты являются белками. Лишь некоторые биологические катализаторы, рибозимы, представляют собой молекулы РНК. Ферменты отличаются от неорганических катализаторов, используемых в химии, следующими важными свойствами: 1) очень высокой эффективностью, 2) строгой специфичностью, 3) узким оптимумом условий среды и 4) способностью к регуляции. Как и неорганические катализаторы, ферменты понижают энергию активации реагирующих веществ, только, как правило, гораздо сильнее. Например, реакцию разложения пероксида водорода до кислорода и воды платина ускоряет в 220 000 раз, а фермент каталаза - в 93 000 000 000 раз! В клетке для каждой реакции существует свой фермент. Это делает возможным одновременное протекание множества разных реакций внутри одной клетки. Как правило, фермент «узнает» свои субстраты (вещества, участвующиев данной реакции) по пространственной конформации. Молекула фермента обязательно имеет один или несколько активных центров, с которыми связываются молекулы субстратов. Некоторые ферменты, катализирующие реакции, для которых нужна энергия, имеют и центр связывания АТФ. Некоторые ферменты для своей работы нуждаются в небелковых молекулах -помощниках, называемых коферментами. Нередко коферменты служат переносчиками различных групп атомов.
Регуляция работы ферментов. Нередко ферменты синтезируются клеткой «про запас» в виде неактивных проферментов. Обычно активация профермента происходит в результате отщепления части его полипептидной цепочки, что приводит к раскрытию активного центра. Аллостерическая регуляция осуществляется за счет изменения конформации фермента в результате присоединения специальной молекулы-регулятора, называемой лигандом (лат. ligeo — связываю) к аллостерическому центру. Некоторые сложные ферменты содержат отдельные каталитические и регуляторные субъединицы. Активация может осуществляться в результате объединения субъединиц, или, наоборот, диссоциации. Так как работа фермента осуществляется за счет изменения его третичной структуры, то молекулы, имеющие такую же форму, как молекула (или даже часть молекулы) субстрата, связавшись с активным центром фермента, лишает его активности. Такой способ «выключения» фермента называется конкурентным ингибированием. Одним из распространенных способов регуляции активности ферментов является фосфорилирование. Присоединение заряженного остатка фосфорной кислоты изменяет конформацию фермента, открывая его активный центр.
В зависимости от катализируемых реакций ферменты делятся на шесть основных классов:
1. Оксидоредуктазы переносят электроны или атомы водорода при биологическом окислении.
2. Трансферазы переносят группы атомов. К ним относятся все матричные ферменты: ДНК-полимеразы и РНК-полимеразы.
3. Гидролазы переносят функциональные группы на молекулы воды.
Пептидазы (или протеазы) гидролизуют белки, нуклеазы гидролизуют нуклеиновые кислоты.
4. Лиазы присоединяют группы к двойной связи или способствуют образованию двойной связи путем негидролитического удаления групп.
5. Изомераз ы переносят группы внутри молекулы с образованием изомерных форм.
6. Лигазы образуют связи С-С, С-S, С-О и C-N в реакциях конденсации,сопряженных с расщеплением АТФ.
Защитная функция белков. Специальные белки иммунной системы позвоночных животных защищают их от чужеродных агентов — бактерий и вирусов, крупных экзогенных молекул, называемых антигенами. Антитела, осуществляющие реакции иммунитета, представляют собой особые белки - иммуноглобулины. Огромное разнообразие третичных структур иммуногло-
булинов позволяет им распознавать любой антиген. Другой тип защитной реакции организма, осуществляемый белками - выработка токсинов, которые некоторыми животными используются как белковые яды для защиты от врагов.
Регуляторная функция. Регуляторные молекулы на внутриклеточном, тканевом и организменном уровнях очень разнообразны по своей химической природе. Среди них значительную часть составляют регуляторные белки. Внутри клетки белки-репрессоры и белки-активаторы транскрипции играют ключевую роль в регуляции действия генов. На организменном уровне регуляторами являются гормоны.
Рецепторная функция. Для того чтобы адекватно реагировать на изменения внешней среды, клетка или организм должны получать сигналы. Такими сигналами могут быть гормоны или нейромедиаторы, запахи, свет и т. д. Чтобы реагировать на эти сигналы, их нужно воспринять. Для этого клетки имеют рецепторы — белковые молекулы (нередко ковалентно связанные с полисахаридами), реагирующие на определенный стимул — сигнальную молекулу (лиганд) или квант света. При этом рецептор, как правило, приобретает ферментативную активность, в результате чего в клетке запускается каскад биохимических реакций, т. е. осуществляется реагирование на стимул.
Структурная функция белков. Белки входят в состав всех без исключения клеточных органелл, как мембранных, так и немембранных. Белки являются главной структурной частью опорных и покровных тканей животных. Белки соединительной ткани составляют строму — структурную основу различных органов. Как правило, это фибриллярные белки. Благодаря наличию реакционноспособных групп в радикалах аминокислот построенные из них белки обладают способностью соединяться с другими самыми разными молекулами. Такие сложные белки называют протеидами. В зависимости от того, с какой молекулой соединен белок, различают гликопротеиды, липопротеиды, хромопротеиды.
Гликопротеиды - соединение белковых молекул с поли- или олигосахаридами. Многие мембранные белки-рецепторы представляют собой гликопротеиды. Белки заякоривают рецептор в мембране, а олигосахаридная часть молекулы формирует распознающий центр рецептора. Протеогликаны составляют структурную основу соединительной ткани, хрящей, роговицы глаза.
Липопротеиды — сложные белки, состоящие из белковой и липидной частей. Липопротеиды входят во все клеточные мембраны.
Хромопротеиды - это белки, содержащие так называемые хромофорные группы (греч. cromoc — цвет и (рорео — несу). Хромофорные группы избирательно поглощают свет определенной длины волны, поэтому они придают окраску белку. В качестве хромофорной группы наиболее часто встречаются сложные гетероциклические молекулы — порфирины. Самыми известными являются хлорофилл, содержащий атом магния, и содержащий атом железа гем. Гем входит в состав гемоглобина и цитохромов — важнейших участников процессов энергетического обмена.
Транспортная функция. В многоклеточных организмах для поступления определенных веществ в те клетки, которые в них нуждаются, простой диффузии недостаточно, да она и не всегда возможна. Активный перенос веществ осуществляется специальными транспортными белками. Многочисленные пермеазы - мембранные белки — переносят полярные соединения как по, так и против градиента концентрации. Такие белки осуществляют свою функцию за счет изменения конформации. Специальные белки образуют постоянные каналы в плазмалемме для поступления воды. В клеточной стенке бактерий особый белок порин формирует «трубы», стенки которых образованы бета-слоями молекулы В кровеносном русле белок гемоглобин (в составе эритроцитов) переносит кислород и углекислый газ. Другие белки переносят некоторые вещества, нужные клеткам, но токсичные для организма.
Трансформация энергии. В ходе жизнедеятельности энергия химических связей может трансформироваться в механическую, тепловую, электромагнитную. Все эти процессы осуществляются специальными белками. Белки сетчатки глаза родопсин и ретинин трансформируют световую энергию в электрическую. Особые моторные белки преобразуют энергию химических связей в механическую. Два белка — кинезин и динеин — осуществляют внутриклеточный транспорт пузырьков, заключающих в себе, например, белки, синтезированные на эндоплазматической сети, которые должны поступить в аппарат Гольджи или быть выведены из клетки. Кинезин и динеин работают по одному принципу — используя энергию АТФ, они «шагают», переставляя «ноги», по микротрубочкам. Каждый из них может двигаться только в одном направлении - динеин движется от «плюс»-конца микротрубочки к «минус»-концу, а кинезин — в противоположном направлении. Они могут перемещать даже такие крупные по сравнению с ними органоиды, как митохондрии.
Некоторые морские животные и бактерии имеют специальные светящиеся белки. Ученым удалось не только выделить эти белки, но и с помощью генно-инженерных методов ввести ген такого белка лабораторным животным. «Светящиеся» мыши, кролики и свиньи сейчас широко используются для исследований в области физиологии и медицины.
Питательная функция белков заключается в поставке незаменимых аминокислот. Такие аминокислоты не могут быть синтезированы в организме и должны поступать с пищей. У человека 8 из 22 аминокислот не могут быть синтезированы в клетках организма. С питательной функцией тесно связана функция запасания аминокислот для развития зародышей и вскармливания младенцев.
Энергетическая функция для белков не является основной, но, тем не менее, белки могут использоваться и для получения энергии.
Буферная функция белков. Любой белок является амфотерным полиэлектролитом. В силу этого белки способны стабилизировать pH. В разных участках клетки протекают разные реакции, которые требуют определенных значений pH. Различные белки могут поддерживать такую разницу pH в разных частях клетки, обеспечивая этим условия для одновременного протекания разнообразных реакций.
Другие функции белков. Некоторые способы использования белков трудно классифицировать. Например, некоторые животные вырабатывают белковые токсины не только для защиты, но и для нападения. Яды змей, пчел, других ядовитых животных содержат различные вещества, в том числе и ферменты, разрушающие биополимеры организма жертвы. Из змеиного яда такие ферменты получают для использования в исследовательских работах и для лечения некоторых заболеваний.