Будова білків

Вивчити будову білків дуже складно. Тому серед багатьох завдань і білкових сполук досить важливою і складною є проблема вивчення будови цих природних біополімерів. Вона охоплюг такі питання, як вивчення кількісного та якісного амінокислотного складу, порядку розміщення амінокислот у молекулах, дослідження конформації білкових молекул та локалізацій зв'язків, що стабілізують моле-

кули і забезпечують їхній нативний стан. Над розв'язанням кожного із цих питань протягом тривалого часу працювали вчені багатьох країн світу. Було висловлено багато гіпотез і припущень щодо складових компонентів та структури білкових молекул. З'ясувати будову білків намагались на основі дослідження продуктів гідролізу білкових молекул — пептонів, які певний час вважали основними компонентами структури білків.

Наприкінці XIX ст. російський учений О. Я. Данилевський висловив припущення, що молекули білків складаються з однотипних, подібних за будовою ланок. Досліджуючи білки та продукти неповного їх гідролізу, він помітив, що білки забарвлюються в сипьо-фіолетсвий колір при доливанні лужного розчину сульфату міді. Таке саме забарвлення виникало і при доливанні цього розчину до біурету — сполуки, що утворюється при нагріванні сечовини внаслідок відщеплення аміаку:

Оскільки О. Я. Данилевський вважав, що біуретова реакція зумовлена чергуванням груп —CO—NH-, то він зробив припущення, що подібне угруповання є в білках та продуктах неповного гідролізу.

Значний внесок щодо будови білків вніс німецький учений Е. Фі-шер. При проведенні кислотного і ферментативного гідролізу білків він встановив, що основними продуктами гідролізу білків є амінокислоти; при гідролізі білків руйнуються зв'язки між групами —CO—NH; утворення груп —СООН і —NH₂ відбуваються у співвідношенні 1:1; усі білки дають біуретову реакцію, що свідчить про наявність в їх складі —CO—NH-зв'язків. Ці зв'язки Е. Фішер назвав пептидними.

Характеристика зв'язків амінокислот у молекулах білка. Для на-тивних білків, що мають специфічні фізико-хімічні та біологічні властивості, характерним є наявність нижчих та вищих рівнів структури. Для кожного рівня структури характерні певні види зв'язків, за рахунок яких відбувається надійна стабілізація білкових молекул.

Припущення відносно сил, що забезпечують утворення стабільних структур, було висловлене Д. Л. Талмудом та С Є. Бреслером у 1944 р. Наступні дослідження дали змогу на основі цих припущень сформулювати загальні положення про сили, що стабілізують білкові молекули. Згідно з даними положеннями структура білків є резуль-

6Є

татом дії таких сил: пептидних зв'язків між CO—NH-групами амінокислот; дисульфідних зв'язків, які утворюються між залишками амінокислоти цистеїну; водневих зв'язків між киснем карбонільної і воднем імінної груп пептидних угруповань; гідрофобної взаємодії.

Отже, стабілізація структури білкової молекули забезпечується за рахунок ковалентних зв'язків та сил слабкої взаємодії. При цьому в стабілізації кожного виду структури вирішальна роль належить одному із зв'язків, а решта відіграють допоміжну роль. Так, ковалентні зв'язки (сили міцної взаємодії) забезпечують стабілізацію первинної і третинної структур (пептидний та дисульфідний зв'язки). Решта видів структури стабілізується за рахунок сил слабкої взаємодії водне-зих та іонних зв'язків, сил Ван-дер-Ваальса, гідрофобної взаємодії тощо.

Пептидний зв'язок. Цей зв'язок утворюється внаслідок взаємодії карбоксильної групи однієї амінокислоти з аміногрупою іншої амінокислоти. Сполуки, які при цьому утворюються, називаються пептидами. Схематично даний процес можна записати так:

NH,-CH-COOH + NHo-CH-COOH-NHj-CH-.'cO-NH'-.CH-COOH * Н,0

і І X ' і

сн, сн сн₃ „сн

н₃с сн₃ н₃с сн,

Аланін Валін Дипептид

(аланіл-валін)

₂-ch-Јo-nhJ-ch-cooh + nh,-ch-cooh ►

СН, СН СН,

Н₃С СН₃ SH

Дипептид Цистеїн

(аланіл-валін)

—— nh, - сн -!co"n~h1- сн - [со - nhJ- сн - соон + н_ао сн₃ сн сн, *

н₃с ⁿch₃ sh

Трипептид

(аланіл-еаліл-чистеїні

Утворений трипептид може взаємодіяти з наступною амінокислотою, утворюючи тетрапептид, пентапептид і т. д.

Залежно від кількості залишків амінокислот, які беруть участь У реакції поліконденсації, утворені сполуки називаються ди-, три-, тетра- або поліпептидами. Назва пептидів утворюється з назв залишків амінокислот, які входять до їх складу, починаючи з N-кінцевої амінокислоти.У назві амінокислот, карбоксогрупи яких беруть участь в реакції конденсації „і руйнуються, утворюючи ацильні залишки,

З* 67

суфікс «н» змінюється на суфікс «л». Наприклад, названий вище три-пептид називається алаиіл-валіл-цистеїн.

Завдяки наполегливій праці вчених було з'ясовано характер зв'язку окремих елементарних ланок (амінокислот) у молекулі білка і створено пептидну теорію. Для підтвердження пептидної теорії білків Е. Фішер синтезував значну кількість поліпептидів. Найскладніший синтезований ним поліпептид складався з 18 залишків амінокислот. Порівняння властивостей даного поліпептиду з білками свідчить, що за такими показниками, як молекулярна маса, здатність осаджуватися при кип'ятінні, дії солей він відрізнявся від білків, а також не мав біологічних властивостей. Разом з тим д^ний поліпептид давав позитивну біуретову реакцію і легко розщеплювався протеолітичними ферментами. Це дало змогу дійти висновку, що молекули білків побудовані з певної кількості залишків амінокислот, тобто вони є гігантськими поліпептидами. Багато дослідників вважає, що сполуки, коефіцієнт поліконденсації яких знаходиться в межах 20, називаються олігопеп-тидами. Якщо до складу молекули входить 20—50 залишків амінокислот, то вони називаються поліпептидами. Поліпептиди, до складу яких входить понад 50 залишків амінокислот і мають молекулярну масу понад 6 тис, належать до білків.

Встановлено, що молекули білків можуть складатися з одного або кількох поліпептидних ланцюгів — двох, чотирьох, шести і т. д., переважно з парної кількості. Поліпептидні ланцюги побудовані з великої кількості залишків амінокислот, наприклад, молекула білка інсуліну побудована з 51 залишку амінокислот, риболектуази — 124, трип-соногену — 234, гемоглобіну — 574 і т. д.

Оскільки у формуванні структури і функції білків важливу роль мають пептидні зв'язки, то необхідно розглянути деякі особливості їх будови. Встановлено, що довжина Зв'язку між вуглецем карбонільної групи та азотом іміногрупи (—С—N—) в пептидах значно менша,

II І О Н

ніж в інших органічних сполуках, що вказує на деякі особливості пептидного зв'язку. Дослідженнями встановлено, що пептидний зв'язок є проміжним між подвійним і простим (одинарним) зв'язком. Так, відстань між атомами вуглецю і азоту (С—N) в пептидному зв'язку дорівнює 0,132 нм, тоді як довжина одинарного зв'язку між вуглецем і азотом становить 0,147, а подвійного — 0,125 нм. Ця особливість пептидного зв'язку зумовлює таутомеоне (кетоенольне) перетворення:

Необхідно зауважити, що обертання навколо пептидного зв'язку значною мірою загальмовано порівняно з іншими зв'язками (N--G»

6Ь

і С—Се), які утворюють скелет полі-пептидиого ланцюга. Пептидиий зв'язок є досить жорстким і має ку трансконфігу-рацію (рис. 12). Він є основою утворення поліпептндних ланцюгів, з яких побудовано молекули білка.

У молекулах білка крім пептидного зв'яз-гакож інші зв'язки — водневий, ди-су іьфідний, іонний та гідрофобний. Вони мають важливе значення при утворенні відповідних структур білка.

Водневий зв'язок досить поширений в хімічних сполуках. Він утворюється між ковалентно зв'язаним атомом водню, який має частковий позитивний заряд, та іншими ковалентно зв'язаними атомами, що мають негативний заряд. У молекулах білка водневий зв'язок найчастіше утворюється при взаємодії атома водню імінної групи залишку однієї амінокислоти з атомами кисню карбонільної групи залишку іншої амінокислоти:

Водневий зв'язок у молекулі білка може бути внутрішньоланцю-говим (з'єднує окремі витки однієї спіралі) і міжланцюговим (з'єднує різні поліпептидні ланцюги). У пативних білках цей тип зв'язку може утворюватися не лише між воднем і киснем пептидних груп, а й між іншими функціональними групами полі пептидного ланцюга:

Водневий зв'язок, на відміну від інших зв'язків, досить слабкий. Енергія цього зв'язку дорівнює 6 кДж, тоді як, наприклад, енергія зв'язку між атомами вуглецю становить близько 250 кДж. Тому водневий зв'язок, легко утворюється і легко руйнується при звичайних умовах. Він відіграє важливу роль в утворенні вторинної, третинної і четвертинної структур білка.

69

Між воднем гідроксильної групи тирозину і киснем іонізованої карбоксильної групи

Між воднем іонізованої аміногрупи і киснем іонізованої

карбоксильної групи

Дисульфідний зв'язок. Відомо, що до складу переважної більшості білків входять залишки амінокислоти цистеїну. Цей досить міцний ковалентний зв'язок утворюється внаслідок відщеплення атомів водню від сульфгідрильних груп двох амінокислотних залишків цистеїну. Дисульфідний зв'язок, як і водневий, може бути внутрішньоланцю-говим (а) і міжланцюговим (б).

Схему утворення дисульфідного зв'язку можна показати так:

—CO—CH—NH—.

Наприклад, дисульфідні зв'язки є в інсуліні. У його молекулі є три дисульфідних зв'язки, два з яких утворюються між поліпептид-ннми ланцюгами, а третій — між залишками цистеїну в одному з поліпептидних ланцюгів, що складається з 20 залишків амінокислот. Велика кількість дисульфідних зв'язків є також в білках сполучної і покривної тканин та в білках, які мають високу біологічну активність.

70

Дисульфідні зв'язки мають важливе значення в формуванні третинної структури білків. Руйнування цих зв'язків призводить до дестабілізації даного рівня структури і втрати білком його біологічної активності.

Іонний зв'язок утворюється при наявності у поліпептидних ланцюгах молекул білків залишків моноамінодикарбонових і діаміномоио-карбонових кислот. Вільні карбоксильні та амінні групи цих залишків амінокислот перебувають переважно в іонізованому стані, в результаті чого між ними виникає електростатична взаємодія:

Іонний зв'язок відіграє важливу роль при утворенні третинної і, можливо, четвертинної структур білків.

Гідрофобний зв'язок утворюється внаслідок міжмолекулярної взаємодії (сил Ван-дер-Ваальса) між гідрофобними (неполярними) радикалами таких амінокислот, як аланін, валін, лейцин, ізолейцин, фенілаланін тощо:

Гідрофобний зв'язок має зажлнве значення для стабілізації третинної і четвертинної структур білків.

71