10.2. Белки и их структурные компоненты

10.2.1. Общая характеристика

Белки (протеины) — полипептиды, являющиеся продуктами поликонденсации а-аминокислот.

Белки — основа жизнедеятельности всех известных организ­мов. Белки составляют около 45 % сухой массы тела человека, имеют молекулярную массу 6000—1 000000.

Белки выполняют разнообразные функции в организме.

• Регуляторная (каталитическая) функция. Регуляция скорости химических реакций в биологических системах осуществляется при участии ферментов — веществ белковой природы.

• Транспортная функция. Доставка кислорода, липидов и дру­гих веществ к органам и тканям осуществляется с помощью бел­ков: гемоглобина, альбумина крови, глобулина и др.

• Защитная функция. Данная функция осуществляется белка­ми иммунной и свертывающей системы организма. Иммунная за­щита организма основана на действии белков — антител; в про­цессе свертывания крови участвует белок фибриноген.

• Сократительная функция выполняется белками мышечной ткани — миозином и актином.

• Структурная функция. Структурные белки, такие как колла­ген, кератин, эластин и другие, принимают участие в образова­нии клеточных мембран, соединительной ткани и т.д.

• Гормональная функция. Белки, принимающие участие в гор­мональной регуляции обмена веществ в организме, это — оксито- цин, вазопрессин, кортикотропин и др.

• Резервная функция. К резервным белкам относятся, напри­мер, альбумин и казеин.

Наиболее важная функция белков — это способность кодиро­вать биологическую информацию наряду с нуклеиновыми кисло­тами.

10.2.2. Уровни структурной организации белков

Различают четыре уровня структурной организации белков, каж­дый последующий из которых детерминирован предыдущим; на каждом последующем уровне происходит «компактизация» бел­ковой молекулы.

Структурными компонентами белковой молекулы являются а-аминокислоты, связанные между собой пептидными связями:

Приведем фрагмент полипептидной цепи:

Последовательность аминокислот в полипептидной цепи на­зывают первичной структурой белка.

Аминокислотный состав белков. Природные белки построены из 20 а-аминокислот (табл. 10.1), точнее из 19 α-аминокислот и одной иминокислоты — пролина. Молекулы всех природных ами­нокислот, кроме глицина, содержат асимметрический атом углеро­да (центр хиральности) и относятся к стереохимическому L-ряду.

Таблица 10.1

Природные а-аминокислоты

* Незаменимые аминокислоты.

Особенности структуры и функций белка определяются хими­ческой природой радикала R (так называемой боковой цепи). По природе радикала и его полярности природные аминокислоты классифицируют на три группы:

1. аминокислоты с гидрофобными радикалами;

2. аминокислоты с гидрофильными радикалами;

3. аминокислоты с ионогенными группами в радикале.

К первой группе относятся аминокислоты, радикалы которых не содержат гетероатом, или гетероатомы (сера, азот) которых находятся в гидрофобном окружении. За счет боковых цепей ами­нокислоты этой группы, особенно фенилаланин и триптофан, осуществляют гидрофобное взаимодействие с другими молеку­лами.

Аминокислоты второй группы имеют в боковой цепи конце­вые функциональные группы, содержащие атомы электроотрица­тельных элементов (кислорода, серы и азота), за счет которых осуществляются различные типы ковалентного связывания: обра­зование сложноэфирных, водородных связей (группа —ОН), ди- сульфидных связей (группа —SH).

К третьей группе относятся аминокислоты, присутствие ко­торых в белковой молекуле обусловливает возникновение на поверхности белка положительного (аминокислоты с дополни­тельными основными группами) или отрицательного (амино­кислоты с дополнительными кислотными группами) заряда. Кроме того, аминокислоты с ионогенными группами, име­ющими основный характер, хорошо связывают ионы металлов, фосфатные группы, могут входить в состав активных центров ферментов.

Структурная организация белков. Первичная структура белка характеризуется рядом особенностей.

1. Первичная структура белка генетически определена и уни­кальна. Замена аминокислоты в полипептидной цепи приводит к изменению структуры и функций белка.

2. Первичная структура стабильна; сохраняется при денатура­ции белка. Первичная структура стабилизирована пептидными связями и в меньшей степени дисульфидными связями.

3. Первичная структура белка детерминирует вторичную, тре­тичную и четвертичную структуры.

4. Пептидная группа представляет собой трехцентровую ρ,π-сопряженную систему (обозначена пунктиром), что обуслов­ливает частично двойной характер связи С — N. Положение заме­стителей у атомов углерода и азота пептидной группы соответ­ствует транс-конфигурации:

Конформация полипептидной цепи называется вторичной структурой белковой молекулы. Различают две наиболее устой­чивые конформации цепи (Л. Полинг, Р. Кори):

• α-конформация (α-спираль);

• β-конформация (складчатый лист).

Встречаются белки, вторичная структура которых не является ни а-, ни p-конформацией, например коллаген. Причина воз­никновения той или иной устойчивой конформации макромо­лекулы — образование водородных связей (в меньшей мере — пептидных и дисульфидных связей) между различными участка­ми одной цепи.

Водородная связь (обозначена точками) может образоваться:

• между двумя пептидными группами:

• между карбоксильной группой боковой цепи и фенольной гидроксильной группой тирозина:

• между двумя гидроксильными группами боковых цепей:

• между гидроксильной группой серина и пептидной группой:

Третичной структурой белковой молекулы называется про­странственная ориентация полипептидной спирали, в результате которой образуется термодинамически устойчивая конформация макромолекулы в целом. В образовании третичной структуры пре­обладающую роль играют различные виды нековалентного связы­вания между частями макромолекулы, такие как электростатиче­ское взаимодействие ионогенных групп, гидрофильно-гидрофоб-

ные взаимодействия, силы Ван-дер-Ваальса, в меньшей степени — образование водородных связей¹.

Наконец, несколько полипептидных цепей, взаимно ориенти­рованных в пространстве, образуют четвертичную структуру белка. Четвертичная структура стабилизируется нековалентным связыванием, осуществляемым между полипептидными цепями, и обусловливает биологическую активность белка в целом. Боль­шинство белков состоит из двух или четырех полипептидных це­пей, называемых субъединицами.

Белки — чрезвычайно многообразный класс биополимеров. В основу их классификации могут быть положены различные при­знаки. Например, по выполняемым в организме функциям выде­ляют 12 основных классов белков: каталитически активные (фер­менты), белки — регуляторы активности генома, защитные бел­ки, транспортные белки, мембранные белки и т.д. В зависимости от особенностей вторичной и третичной структур выделяют а-бел- ки, Р-белки, (α + β)-белки и т.д.

По химическому составу белки подразделяют на две группы:

1. простые белки, состоящие только из аминокислот;

2. сложные белки, состоящие из простого белка и небелкового компонента — простетической группы.

К простым белкам относятся альбумины, глобулины, протами- ны, гистоны и др. Сложные белки в зависимости от природы про­стетической группы (указана в скобках) подразделяют на следую­щие виды:

• нуклеопротеины (нуклеиновая кислота);

• металлопротеины (ион металла);

• липопротеины (липид);

• гликопротеины (гетероолигосахарид);

• протеогликаны (мукополисахарид);

• фосфопротеины (остаток фосфорной кислоты);

• хромопротеины (порфин, порфирин, изоаллоксазин и их про­изводные — металлопорфирины, флавинадениндинуклеотиды и др.); среди хромопротеинов выделяют гемопротеины, магний- порфирины, флавопротеины и т.д.

Например, гемоглобин с точки зрения общепринятой класси­фикации представляет собой транспортный белок (обеспечивает перенос кислорода и углекислого газа); сложный белок, содержа­щий в качестве белкового компонента — глобин, а в качестве про­стетической группы — гем и относящийся к гемопротеинам. К гемопротеинам относят производные гемоглобина, а также мио-

глобин, ферменты — каталазу, пероксидазу, систему цитохромов, хлорофиллсодержащие белки.

Гемоглобин представляет собой (α + β)-белок и является тетра­мером, состоящим из четырех субъединиц — двух α- и двухβ-цепей.

1. Ферменты (энзимы)

Ферменты — класс высокоспециализированных веществ бел­ковой природы, катализирующих большое число химических ре­акций (см. подразд. 3.5). Ферменты обеспечивают реализацию ге­нетической информации, обмен веществ и энергии.

Ферменты отличаются от неорганических катализаторов зна­чительно большей активностью и высокой специфичностью дей­ствия. Один фермент катализирует, как правило, только одну хи­мическую реакцию. Активность ферментов в клетках контроли­руется на генетическом уровне, а также посредством концентра­ций субстрата и продуктов реакций, катализируемых ими. Боль­шинство ферментов является белками, что подтверждается поте­рей их биологической активности под действием различных дена­турирующих факторов, образованием аминокислот при гидроли­зе, а также выделением их в виде кристаллов белка. Ферменты амфотерны (могут существовать в растворе в виде анионов, кати­онов и амфолитов), обладают электрофоретической подвижностью благодаря наличию в них положительных и отрицательных заря­дов, неспособны к диализу через полупроницаемые мембраны, легко осаждаются из водных растворов методами высаливания. Молекулярная масса ферментов колеблется от десятков тысяч до нескольких миллионов. Оптимальная температура для большин­ства ферментов равна температуре человеческого тела, оптималь­ное значение pH 6,0—8,0.

Различают простые и сложные ферменты. Простые ферменты представлены аминокислотными цепями и при гидролизе распа­даются только на аминокислоты. К ним относятся гидролитиче­ские ферменты — пепсин, трипсин, папаин, уреаза, лизоцим, рибонуклеаза, фосфатаза и др.

Большая часть природных ферментов — сложные белки и по­мимо полипептидных цепей содержит небелковый компонент (ко­фактор), являющийся абсолютно необходимым для белковой ак­тивности. Им могут быть любые небелковые органические моле­кулы или ионы металлов. Кофактором может быть простетическая группа фермента, если она не вовлечена в акт катализа, но является функционально существенной для фермента.

Кофакторы имеют различную химическую природу и различа­ются по прочности связи с полипептидной цепью. Если при вы­-

делении и очистке кофактор не отделяется от полипептидной цепи, то такой фермент называют холоферментом (холоэнзимом), а ко­фактор — простетической группой. Полипептидная часть фер­мента называется апоферментом. Простетическая группа может быть связана с апоферментом ковалентными и нековалентными связями. Кофермент — дополнительная группа, легко отделя­ющаяся от апофермента при диссоциации.

Простетические группы и коферменты активно участвуют в химических реакциях, играя роль переносчиков протонов, элек­тронов или различных функциональных групп. Кофактор и апо- фермент по отдельности не наделены биологической активностью, только их объединение в единое целое, протекающее в соответ­ствии с программой их структурной организации, обеспечивает быстрое протекание химической реакции.

Молекулы субстратов, участвующих в химических реакциях, значительно меньше молекул ферментов. При образовании комп­лекса субстрат—фермент во взаимодействие с субстратом вовле­кается ограниченная часть молекулы фермента.

Активный центр фермента — уникальная комбинация ами­нокислотных остатков в молекуле фермента, которая обеспечива­ет непосредственное связывание с субстратом и участвует в акте катализа. В случае сложных ферментов в состав активного центра входят простетические группы. В активном центре различают ка­талитический центр (участок, непосредственно вступающий в химическое взаимодействие с субстратом) и связывающий центр, или контактную площадку (участок, обеспечивающий специфи­ческое сродство к субстрату и образование его комплекса с фер­ментом). В молекуле субстрата также есть функционально раз­личные участки — участок, избирательно связываемый фермен­том, и участок, атакуемый ферментом (рис. 10.2).

Формирование активного центра фермента начинается на ран­них этапах его синтеза, когда линейная полипептидная цепь пре­вращается в трехмерное тело определенной конфигурации. Белок

со сформированной третичной структурой приобретает функцио­нальную (в частности, каталитическую) информацию. Любые воз­действия, приводящие к денатурации фермента (нарушению его третичной структуры), нарушают структуру активного центра и ведут к потере ферментом каталитических свойств. При восста­новлении нативной трехмерной структуры белка-фермента (ре- натурации) восстанавливается и его каталитическая активность.

Н

Таблица 10.2

Классификация ферментов

аряду с активным центром в молекуле фермента может при­сутствовать аллостерический центр (греч. alios — иной, steros — пространственный, структурный) — участок молекулы фермента для связывания определенных, обычно низкомолекулярных ве­ществ — эффекторов или модификаторов, структура которых от­личается от структуры субстратов. Эффектор при соединении с аллостерическим центром фермента изменяет третичную или даже четвертичную структуру фермента и структуру активного центра фермента, что ведет к изменению каталитической активности фер­мента. Ферменты, активный центр которых способен изменять

свою структуру и активность под действием аллостеричееких эф­фекторов, связывающихся с аллостерическим центром, называют аллостерическими.

Выделяют шесть основных классов ферментов (табл. 10.2), каж­дый из которых делят на подклассы.

Скорость ферментативной реакции зависит от наличия в среде активаторов и ингибиторов.

Активаторы — вещества органической и неорганической при­роды, повышающие скорость реакции. Соляная кислота повыша­ет активность пепсина желудочного сока, желчные кислоты акти­вируют липазу панкреатического сока и т. д. Наиболее часто акти­ваторами являются ионы металлов. Они могут играть роль про- стетических групп ферментов, выступать в качестве акцепторов или доноров протонов, электрофилов или нуклеофилов. Ионы металлов способствуют присоединению субстрата к активному центру и образованию фермент-субстратного комплекса. Металл при соединении с субстратом может образовывать истинный суб­страт, с которым реагирует фермент. Ионы металлов могут уча­ствовать в формировании и стабилизации активного центра фер­мента, а также выступать в роли аллостерических модуляторов.

Ингибиторы — вещества, вызывающие частичное или полное торможение ферментативных реакций. Они подразделяются на обратимые и необратимые (рис. 10:3). Антиферменты — белки, действующие как ингибиторы ферментов. Неспецифическое ин­гибирование ферментов происходит под действием любых дена­турирующих агентов. Специфическое ингибирование происходит в отношении одного фермента или группы ферментов.

Рис. 10.3. Обратимое и необратимое ингибирование

Конкурентное ингибирование вызывается веществами, струк­тура которых сходна со структурой субстрата, но несколько отли­чается от нее. Такое ингибирование основано на связывании ин­гибитора с активным центром.

Субстрат (S) и ингибитор (I) конкурируют за связывание с ак­тивным центром фермента (F); степень торможения химической реакции определяется соотношением концентраций фермента и ингибитора.

Неконкурентное ингибирование вызывается веществами, струк­тура которых отлична от структуры субстрата, ингибиторы связы­ваются как в активном центре, так и в другом фрагменте молеку­лы фермента путем образования ковалентной связи. Степень ин­гибирования часто определяется продолжительностью действия ингибитора на фермент. Неконкурентное ингибирование может быть обратимым и необратимым. Необратимое ингибирование воз­никает при образовании стабильной ковалентной связи, фермент подвергается полной инактивации. При обратимом неконкурент­ном ингибировании ингибитор и субстрат связываются с разны­ми центрами с образованием фермент-ингибитор-субстратного комплекса (EIS), который, как и фермент-субстратный комплекс (ES), способен распадаться с образованием продуктов реакции (Р), но с меньшей скоростью:

где к₂< к₁.

Такой тип ингибирования встречается у ферментов, катализи­рующих превращение нескольких субстратов. Существует также бесконкурентное ингибирование, когда ингибитор связывается с некаталитическим центром фермента после образования фермент- субстратного комплекса.

3. Нуклеиновые кислоты