При связывании двух или большего количества аминокислот выделяется молекула воды. То, что остается от каждой аминокислоты, называется остат- ком, в котором не достает атома водорода либо в аминогруппе, либо -ОН кар-
боксильной группы или же в них обеих.
Последовательность соединения аминокислот полностью контролируется
молекулой ДНК клетки. Информация из нее передается в информационную РНК (иРНК), которая выступает шаблоном первичной белковой структуры. Процесс сродни нанизыванию жемчужного ожерелья, в котором жемчужины представляют отдельные аминокислоты. Однако белковое ожерелье, состав-
ленное из аминокислот, невероятно длинное! Для синтеза белка требуется очень много энергии.
Упорядочивание аминокислот
Как вы знаете, на одном конце первичной структуры размещается амино-
группа, а на ее другом конце — карбоксильная группа. Обычно, конец с амино-
группой рассматривается, как “ начало” белка. Придерживаясь общепринятого
соглашения, при изображении или обозначении цифрами первичной струк-
туры всегда нужно начинать с аминокислотного ( N-концевого) остатка, а за- канчивать карбоксильным (С-концевым) остатком. Например, в гексапептиде Met-Thr-Ser-Val-Asp-Lys (перечень сокращенных названий аминокислот см. в
главе 4) А-концевой аминокислотой будет метионин (Met), а С-концевой ами-
нокислотой — лизин (Lys). Заметьте, что перестроение последовательности в обратном порядке — Lys-Asp-Val-Ser-Thr-Met, приведет к получению гекса- пептида с таким же составом, но другими химическими свойствами, посколь- ку начинается с другой аминокислоты. Таким образом аминокислота, которая теряет атом водорода в первом случае, потеряет группу -ОН во втором случае.
У полипептидной цепи есть основа, которая состоит из подобных, довольно простых, повторяющихся единиц. Эта повторяющаяся последовательность по-
казана на рис. 5.1. Вариации проявляются в форме боковых цепей — R-rpynn
аминокислот. Заметьте, что повторяющаяся единица (обозначаемая скобками), представлена амино-углерод-карбонильной последовательностью, а к атому
углерода могут присоединяться разные R-группы
|
н |
|
о |
|
|
н |
|
о |
н |
о |
н |
о |
— N — |
I |
— |
II |
— |
N — |
I |
— |
II |
I |
II |
I |
II |
С |
С |
С |
С — N — С— С — N — С— С — |
|||||||||
Н |
|
|
|
|
Н |
|
|
|
Н |
|
Н |
|
>. |
|
|
|
л |
|
|
|
* |
|
* |
|
/ |
Рис.5.7. Повторяющаяся последовательность
белковой основы
90 |
ЧАСТЬ 2 Фундамент биохимии: белки |
Убелковой основы есть много мест формирования водородных связей.
Укаждого остатка, кроме аминокислоты пролина, есть NH-конец, который может служить донором водородной связи. Также каждый остаток имеет кар- бонильную группу, которая может выступать акцептором водородной связи. Наличие доноров и акцепторов позволяет образовывать многочисленные водо-
родные связи. (Теперь вы понимаете, насколько важными являются внутримо-
лекулярные взаимодействия, особенно водородные связи.)
Пептидные связи не вращаются свободно вокруг углерод-азотной связи вви-
ду образования резонансной формы с двойной связью. Таким образом, основа
представляет планарное соединение из четырех атомов, и почти всегда, атом кислорода переходит к атому водорода. Оставшаяся часть основы может вра-
щаться. Вращение определяет конфигурацию трехмерной структуры белка.
Такое вращение строго ограничено ввиду возможности боковых цепей “ стал-
киваться” друг с другом — этот эффект получил название стерического несо-
ответствия. Жесткость пептидной связи и ограничение на вращение заметно
снижают энтропию трехмерной структуры белка по сравнению со случайной цепью аминокислот. Согласно законам термодинамики снижение энтропии
приводит к стабилизации структуры.
Пример:первичная структура инсулина
Впервые первичная структура белка была выделена у соединения бычьего инсулина. Она имеет вид, подобный показанному на рис. 5.2. Со времени этого знаменательного события первичную структуру определили более чем у 100
тысяч белков.
Gln-Glu-Val-Ile-Gly
Cys S- S
Cys-Ala-Ser-Val-Cys-Ser-Leu-Tyr-GIn-Leu-Glu-Asn-Tyr-Cys-Asn
S |
|
|
|
S |
|
|
S |
|
|
|
S |
|
|
|
|
|
- |
- |
Ple |
|
Cys-Gly-Ser-His-Leu-Val-Glu-Ala-Leu Tyr-Leu-Val-Cys-Gly-Glu-Arg-Gly-Phe |
|
|||||
- |
- |
- |
Val-Phe |
Ala-Lys-Pro-Thr-Tyr |
|
|
Leu-His |
Gln |
Asn |
|
|||
|
|
Puc.5.2.Структура бычьего инсулина |
|
|
||
|
|
|
ГЛАВА 5 |
Строение и функции белков |
9* |
|
|
|
|
|
Вторичная структура:есть
у большинства белков
Давайте вернемся немного назад, снова обратившись к аналогии с жемчуж- ным ожерельем. Его можно обернуть вокруг себя. Это не повлияет на порядок следования жемчужин, но придаст ожерелью совершенно другой вид. То же самое можно проделать с цепочкой аминокислот. Две пептидные связи могут связываться одна с другой с помощью водородной связи, как продемонстриро- вано на рис. 5.3. В случае существования большого количества таких водород-
ных связей белок приобретает вторичную белковую структуру. Водородные связи относятся к внутримолекулярным взаимодействиям в том понимании,
что возникают между участками одной и той же молекулы.
— N — н |
о=с— |
I |
I |
Рис. 5.3. Водородная связь между
двумя пептидными связями
Ко вторичным структурам относятся а-спираль и (3-складка, которые про- являются в процессе формирования водородных связей. Вторичная структура может составлять лишь небольшую часть всей белковой структуры, а может
занимать более 75% ее размера.
а-спираль
В а-спирали (рис. 5.4) первичная структура закручивается в результате продольного загибания, приобретая форму скрученного в пружину стержня. Чаще всего ее представляют в виде закрученной вокруг продольной оси лен- ты. Каждый “ завиток” такой ленты состоит из 3,6 аминокислотных остатков.
Эти завитки возникают вследствие возникновения водородных связей между остатками, расположенными со всех четырех сторон. Каждая пептидная связь принимает участие в двух водородных связях: одна из них устанавливается между сторонней NH-группой и соседней карбонильной группой, а вторая — между соседней NH-группой и сторонней карбонильной группой.
Структурно спирали могут быть как правозакрученными, так и левозакру- ченными (см. глава 3). В базе все известные полипептиды являются правоза-
крученными. В левозакрученной спирали присутствует небольшое простран-
ственное затруднение, которое делает такую структуру менее стабильной. Кератин — белок, входящий в состав меха, волос и ногтей — содержит три
|
- |
правозакрученных а спирали, скрученные между собой в левостороннем на- |
|
правлении. |
|
92 |
ЧАСТЬ 2 Фундамент биохимии: белки |
H R\ |
|
|
|
H |
H |
|
|
|
|
|
N |
_c\ |
|
|
|
N |
|
\c |
|
R |
|
\ НчН |
О |
|
н |
|
|
R |
|
|
||
I |
I |
|
|
N |
|
c |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
H 9 |
R |
|
|
|
|
|
c |
|
|
|
|
c |
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
C |
|
|
|
|
|
c |
|
|
|
|
о |
|
|
H |
H |
|
|
|
|
||
N |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
H |
|
|
H |
|
|
|
||
|
H |
|
R |
N |
О |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
C |
N |
О |
|
С Л |
|
H N |
|
|
|
|
|
|
R |
C |
|
|
|
|
|
||
o \c/н |
: |
|
H |
N |
|
|
|
|
||
V |
О |
о |
\R\ |
|
|
|
||||
H |
\R |
N |
C |
H |
|
H |
|
R |
||
N |
c |
c// |
H |
|
|
V |
R |
|||
\V |
\^R H |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H |
О |
/c\ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
H |
|
|
|
|
|
|
|
|
Puc.5.4.Общая структура а-спирали и представление ее в виде
закрученной в спираль ленты
Отдельные аминокислоты дестабилизируют а-спираль. Например, пролин
образует дуги или “изгибы” в первичной структуре,которые подавляют обра- зование водородных связей.Группа остатков изолейцинаразрывает вторичную структуру вследствие пространственного затруднения, причиной которого яв-
ляется большой размер его R-групп. Небольшие R-группы глицина, располо-
женные только со стороны водорода, допускают излишнюю пространствен- ную свободу, обуславливающую дестабилизацию спирали. Наличие остатков
аспарагиновой кислоты и/или глутаминовой кислоты также дестабилизирует
структуру,поскольку отрицательный заряд боковых цепей отталкивает их друг
от друга. Аналогично к дестабилизации спиралиприводят остатки других ами- нокислот — лизина, аргинина, серина и треонина.
Р-складчастая листовая структура
Р-складчатый лист, или просто Р-лист — это еще один распространенный
вид вторичной белковой структуры. Она образуется в результате простран-
ственного разнесения первичной структуры, (в противоположность плотному
ГЛАВА 5 Строение и функции белков |
93 |
Параллельная структура |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
R |
о |
н |
|
R |
|
О |
|
Н |
R |
О |
N |
! СН |
N |
С |
сн |
N |
с |
СН |
N \С/сн\N |
.СН |
|
н |
R |
|
/О |
|
Н\ |
|
R |
О |
Н |
R |
|
ч ч |
|
/ |
|
|
|
|
|
|
|
|
чО |
Н/ |
|
|
|
ч |
|
|
|
|
R |
|
R |
|
О |
|
Н |
R |
О |
A/vVWWv
|
Нч |
R |
О |
нч |
R |
/ О |
нч |
R |
|
ч ч |
|
* |
ч ч |
|
/ |
|
|
R |
О |
Н |
R |
О |
Н |
R |
|
О |
СН CH/VCV4H/N^CVC!
Н |
R |
О |
Н |
R |
О |
Н |
R |
|
|
г |
|
|
> |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I |
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис.5.5.Параллельная и антипараллельная(^-складчатые листовые структуры (см.продолжение далее)
закручиванию в а-спирали). У такой структуры есть две формы, известные как
параллельный Р-складчатый лист и антипараллельный Р-складчатый лист. (Ух,
ты! Параллельный и антипараллельный — звучит как постулат из научно-фан- тастического фильма, не правда ли?)
Как и в предыдущем случае, причиной образования таких структур являют- ся водородные связи. Р-складчатый лист возникает при объединении двух или большего количества цепочек аминокислот с помощью водородных связей. За- метьте, что объединяемые цепочки аминокислот относятся к разным участкам
одной и той же первичной структуры.
В параллельной структуре соседние полипептидные цепочки выравнива-
ются в одном и том же направлении: от N-терминального к С-терминальному концу. В антипараллельной структуре выравнивание выполняется так, что одна цепочка следует от N-терминального к С-терминальному концу, а соседняя с ней цепочка — от С-терминального к N-терминальному концу (рис. 5.5).
94 |
ЧАСТЬ 2 Фундамент биохимии: белки |
P-виток и 0-петля
Остальные вторичные структуре характеризуются возникновением допол- нительных водородных связей между существующими пептидными связями. Такие структуры имеют очень маленький размер. Больше других известны р-завиток (крутой разворот) и О-петля. р-завиток представляет собой резкий
поворот первичной структуры, удерживаемой водородной связью, а О-петля получила название за пространственное сходство с формой одноименной гре-
ческой буквы. Оба формирования наблюдаются на внешней части белковой структуры. Отдельные белки могут включать больше одного вида вторичных структур.
Третичная структура: есть
у многих, но не всех белков
Первичная и вторичная структуры белка, а также связи между боковыми цепями, определяют общую форму белка. Наряду с этим все они дают начало
третичной структуре. (Чтобы понять, как она возникает, представьте оберну-
тое вокруг себя жемчужное ожерелье, которое завязывается в несколько узлов.) Неполярные боковые цепи являются гидрофобными, и несмотря на то, что от- талкиваются от воды, притягиваются друг к другу. Полярные боковые цепи притягивают другие полярные боковые цепи с помощью диполь-дипольных
сил или сил водородного связывания (рис. 5.6).
|
R |
о |
|
|
|
н |
R |
|
О |
|
Н |
|
R |
|
О |
|
|
|
сн |
,С. |
|
СН |
/ N. |
СН |
|
X. |
|
|
|
сн- |
'1чАСН/ |
||||
|
|
^ |
^ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
— |
|
|||
|
|
сн |
|
рсн, |
|
н |
|
сн2 |
|
о |
н |
о |
сн2 |
||||
|
Гидрофобное |
|
/сн, |
|
Дисульфидная |
s |
|
|
|
|
... |
||||||
|
взаимодействие |
сн, |
|
S |
|
|
Водородное |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
связь |
|
|
связывание |
|
|
о |
|||||
|
|
снV |
сн |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
, |
н |
о |
сн2 |
|
н |
|
о |
|
с Г |
|||||
|
|
|
с/ |
|
|
|
|
||||||||||
|
С |
ГС |
сн |
С^ СН |
С |
N |
от |
С |
N |
СН |
С |
N |
|
с т |
|||
|
R |
H |
|
|
|
O |
R |
|
H |
|
O |
|
R |
|
H |
|
|
|
Рис.5.6.Отдельные третичные структуры,встречающиеся в белках |
||||||||||||||||
96 |
ЧАСТЬ 2 Фундамент биохимии: белки |
|
|
|
|
|
|
|
Например, аспарагиновая и глутаминовая кислоты включают боковые цепи с отрицательным зарядом, которые сильно притягиваются к положительному заряду боковой цепи лизина и аргинина. Два цистеиновых остатка могут свя-
заться с образованием дисульфидной связи, которая будет ковалентной.
Что заставляет белок принимать весьма специфичную третичную струк-
туру? Исследование структуры многих белков указывает на преобладание не-
полярных боковых цепей во внутренней части с множеством полярных или
ионных боковых цепей на внешней части. В водных средах гидрофобные (не-
полярные) группы заставляют белок складываться, пряча гидрофобные группы от воды и оставляя гидрофильные группы рядом с водой. В результате образу-
ется мицеллоподобная структура. Необычайно часто такие образования появ-
ляются в структурных и транспортных белках.
Четвертичная структура:есть
только у некоторых белков
Четвертичная структура, обнаруженная у некоторых белков, появляется
в результате взаимодействий двух или большего количества полипептидных
цепей — взаимодействий, которые обычно дают начало третичной структуре.
Чаще всего они представляются водородными и дисульфидными связями. Чет-
вертичная структура замыкает белковый комплекс в особую геометрическую фигуру. Примером является гемоглобин, у которого есть четыре полипептид-
ных цепи: две одинаковые a-цепи и две одинаковые (3-цепи. (Здесь греческие буквы обозначают две разные полипептидные цепи, субъединицы, и никак не соотносятся с вторичными структурами.)
Анализ белка как исследовательский метод
В предыдущих разделах мы рассматривали разные виды белковых струк-
тур. Теперь давайте попробуем разобраться в том, как биохимики определя-
ют структуры отдельных белков. (Держу пари, в детстве многие из подающих
надежды биохимиков до мельчайших деталей разбирали все свои игрушки и даже кое-что из родительских вещей, чтобы понять, как они устроены. И толь- ко самые толковые из них смогли собрать все обратно!)
Дополнительную информацию о белковой структуре предоставляет имму- нология. В ответ на инородные вещества, известные как антигены, у живот-
ных образуются антитела — белки, легко обнаруживаемые в плазме крови.
Антигены собираются на поверхности эритроцитов или красных кровяных
ГЛАВА 5 Строение и функции белков |
97 |
зательством, с которыми приходится работать судебно-криминалистическим экспертам. Наличие пятен крови может указать на связь подозреваемого как
с жертвой, так и с местом преступления. Пятна крови также могут говорить о том, как именно было совершено преступление. Само собой, преступники
придают большое значение таким уликам и всячески стараются скрыть их.
Кровь состоит преимущественно из воды, но в ней содержится большое ко-
личество других веществ, среди которых клетки, белки и ферменты. Жидкая часть крови,или плазма,большей частью состоит из воды.А сыворотка, име-
ющая выраженный желтоватый оттенок,содержиткрасные и белые кровяные
тельца.Красные кровяные тельца или эритроцитымногочисленнеебелых кро-
вяных собратьев приблизительно в 500 раз. Белые кровяные тельца играют
важную роль вмедицинских исследованиях,в то время как красные кровяные тельца и в меньшей степени сыворотка чаще становятся предметом исследо- вания экспертов-серологов.Из-за сильной сворачиваемости крови под воз- действием кислорода,сыворотку предварительно очищают от свертывающих веществ. Сыворотка содержит антитела, значимые для криминалистической экспертизы, а на поверхностях эритроцитов в дополнение к ДНК располага-
ются такие вещества, как антигены —
большой интерес для криминалистов. Антитела и антигены часто выступают ключевыми доказательствами в криминалистической экспертизе — близнецов с идентичной ДНК разный набор антител. Как вы уже знаете, ан- титела и некоторые антигены — это белки,а их анализ часто представляется задачей чрезвычайной важности.
Анализируя пятна крови, специалисты с самого начала пытаются ответить на
пять следующих вопросов.
•Это точно кровь? Чтобы ответить на этот вопрос исследователи проводят
многотестов.Такиетесты имеют общееназвание:предварительныепробы.
В тесте Касл-Мейера используется фенолфталеин, который при контак-
те с гемоглобином или некоторыми другими веществами приобретает яр-
ко-розовый оттенок, вызванный выделением фермента пероксидазы. (Вы
могли наблюдать за проведением этого теста в одном из многочисленных телевизионных шоу.) Люминольный тест применяется для обнаружения
невидимой крови — при контакте с кровью или некоторыми другими ве-
ществамилюминол излучаетсвет,видимый в темнойкомнате.Тесты Ваген-
хаара,Такаямы и Тейхмана основаны на том факте, что высушенная в тече-
ние длительного времени кровь кристаллизуется или может быть подвер-
гнута принудительной кристаллизации.
•Это кровь человека или животного? Судебно-криминалистический экс-
перт отвечает на этот вопрос (и следующий, если это нужно) по результа- там тестасиммунной сывороткой.При его проведении важно ответить на
вопрос, чей образец крови исследуется: человека или животного, напри-
мер домашнего питомца? Стандартным является преципитиновый тест.
ГЛАВА 5 Строение и функции белков |
99 |