Филиппович Ю.Б. - Основы Биохимии

А	Б

Рис. 32. Модели свертывания полипептидной цепи в сх-спираль с образованием системы

Boдopoдных связей между витками спирали:

А- в виде БУМ8Jl<ноli neНТ'" с выписанной на ней cтpyктypoli noлипептидвоli цепи; водородные СВRЗИ, МВЛRЮЩНес.

ИСТОЧНИКОМ ВЭaltмодеlСТВИR, ПРИВОДJIЩИМ к спирализации, показаны пунrrиром; Б-в виде хребта полипептидной цепи, составленноrо ИЗ объемно изобра"'ениых NH, СО· и СНR-грynп; атомы водорода н кислорода, участвующие в образова­ нии водородиы.х са.зеА, помечены знаuми 4( +» н « -) COO11lCTCТвeннo. Модель в виде бумажной ленты может быть использована. Курсе XИМIIН cpeДlleli WJCOJJW и иа КРУЖIЮВЫХ 3IUJJITIWt со 1W<ольниимн ПО орrаничecJCОЙ химии

Первая модель молекулыI белка-миоглобина (рис. 33),отражающая его тре­

тичную структуру, бьmа создана Дж. Кендрю с сотр. (1957). На рис. 34 приведены

схематические изображения третичной структуры молекул миоглобина, рибо­ нуклеазы, лизоцима и химотрипсиногена. Несмотря на большие трудности, за истекшие три с половиной десятилетия удалось установить третичную структу­

ру почти трехсот белков, причем более трех десятков из них-в СССР. В нашей

стране, в частности, выясненаструктура пепсина, леггемоглобина, аспартатами­

нотрансферазы, глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназы, пластоцианина, фи­

тогемагглютинина, 'У-кристаллина, пирофосфатазы, ряда рибосомальных бел­ ков, аКТИНOlссантина, лектина, лейnинаминоnептидазы, сх- 1{ f3-интерферона.

лейцинспецифичного белка, родопсина, тубулина, гидрогеназы, метанмоноок­ сигеназы идр. Ниже некоторые из них будут охарактеризованы более подробно.

Полагают, что третичная структура белковой молекулы определяется ее

первичной структурой, так как решающая роль в поддержании характерного для треmчной структуры расположения полипептИдНОЙ цепи в пространстве

70

Рис. 33. сх- и Р-Структуры во фрагменте молекулы 1UIтохрома Ь, и сх-сnиральные участки в моле-

куле миоглобина:

А-фраrменты полипenтидиоli цепи цитохрома (остапи 21-25, 28-34, 50-54 и 73-79), образуюшие р..::лой, показаны толстыми .1ИНИИМИ, сам слой отмечен знаЧl(ами Р; четыре a..::тpyrrypы (остатхи 34-39, 40-50, 54-63,64-73) изображены в аиде цилиндров; между попарно объединепными а·спирал.1IIИ распоnаrаетса простетичсскаа труппа цитохрома Ь., СОllержоlЦ8Jl атом

железа; Б-восемь а..::пиральных учаСТI<ОВ в молекуле .,иоrлобина (обозlШчены бyuами лаТИНСkоrо алфавита) pe3l<O преобладают

Ш!Д изгибами 1l0липеп"J'ИДlIOЙ цепи (обозначены сочетаниями АВ, ве н Т. д.) ПО ПРОТRженности и nepeceжаются под раЗЛИЧIIЫМИ

У['.lамн; черный дис" в верхней левой части молекулw - труппа rcмa ~ атомом жслеза в центре

71

А

Б

21

в

г

Рис. 34. Третичные структуры миоглобина (А), лизоцима (Б), рябону"- леазы (В) н химотриnснногена (г)

Во всех случаJIX показаны конфиrypация и расположение в пространстве хребта полипеПТИДIIОЙ

цепи. РаДИl<алы 8МИ!lОJ:ИСЛОТНЫХ остапов DИгде не обо:mачевы. Ероме трех радикалов в моле­

куле химотриnсниогева. А -эаштрвховаllВЬlЙ ДИСI<-reм; пувхтвр-место прихреnлениа его

1< хребту полвпепТИДllOЙ цепи посредством радип.ла mстИДIIВВ; хорошо заметны ",-спирали.

составляющие 75% полвпепТИДllOЙ цепи мвоглобива; цифрами У"азаны номера амиНОJ:ИслОТ­ пых остатко. в полвпепТИДllOЙ цепи (см. таЮJ:e РИС. 33, 6); Б-снмволами-S-S-обозначены дисульфндRыe мостlП1l, образУе.....е при Оl<Нслевив paдlRалов цистеина; з.метно, ЧТО а-спи­

ралънu J:Oнфиrypaциа прнсуща ве более чем ',. полвneпТИДIIОЙ цепи; в верхней части молекулы

ВИДIIО углубление (щель), предиазвачеввое ДЛ8 размещения субстрата, расщеnл.емого лизоци­ мом; В-сх-cnиральиых конфигураций почти не видно; остальвыe условные обозначеНИR, Jl.'П

в А и Б; Г-.сно выражеllныx а-спвралей не ваблюдается;-S-S,св"зи обозначены точками. здесь же цифрами У"аэаны ПОРUJ:овые номера соответствующих остапов Ц1Iстеина; в центре

молекулы выделены ШТРИХОВКОЙ радикалы ГИCТИДIIВВ (ппиугольниlCИ) И радикал серина (корот·

J:ИЙ Д1IуроnПi отрезок). образующие uтвввыl! цеитр хвмотрипсива (после arrИIIироваива хвмотрипCВRОгена). onoeтcтвeввыll за ГИдРОЛИЗ пептИДIIЫХ "вазей

принадлежит взаимодействию радикалов аминокислот друг с другом. Воз­ можные типы связей между радикалами представлены на рис. 35. Особое значение в поддержании третичной структуры белка придают дисульфидным мостикам: именно они в ряде белков (см. рис. 29, 34 и 35) прочно фиксируют

расположение участков полипептидной цепи (или цепей) по отношению друг к другу. Таким образом, местоположение в молекуле белка остатков цистеина

(и других аМИНОКI;rСЛОТ) предопределяет характер межрадикальных связей и,

следовательно, третичную структуру. Конечно и здесь, при замыкании дисуль­

фидных мостиков, В частности, реализуются далеко не все возможности их

возникновения, резко отличающиеся от расчетных (по Т. Крейтону, при пяти

SS-связях в белковой молекуле	число их комбинаций достигает 945, при
10-654729075, а при 25-превышает		5,8 '1030).
.	.

72

Рис. 35. Типы связей между радикалами аминокислотных остатков в белковой

молекуле:

а-электростатическое взаимодействие; б-водородные св.зн; г-В3811МодеАствне неПОЛRРНЫХ боко­ вых иепей, вызванное вталкиванием лиофобных радикалов в (<СУХУЮ ЗОН)'» молехулами растворител.

(так называемая <<жири"" капл",'); z-днсульфндные связи. Двойна. изогнуть ЛИНИЯ обозначает хребет

. полипептидной цепи

Кроме ковалентных связей третичная структура белковой молекулы

поддерживается силами слабых взаимодействий (рис. 35). Рассмотрение пол­

ных химических структур некоторых белков показало, что в их третичной структуре отчетливо выявляются зоны, где сконцентрированы гидрофобные

радикалы аминокислот и полипеttтидная цепь фактически обматывается вокрут гидрофобного ядра. Более того, в ряде случаев в белковой молекуле

обособляются два и даже три гидрофобных ядра, в связи с чем возникает двух­ или трехъядерная структура. Такой тип строения молекулы характерен ДЛя

многих белков, обладающих каталитической функцией (рибонуклеаза, лизо-

. цим И др.).

Данные о полной химической структуре молекул ряда белков явились

отравным пунктом для создания учения о доменном принципе строения

белковой молекулы. Под доменом понимают обособленную область молекулы

белка, обладающую в определенной степени структурной и функциональной

автономией. У ряда ферментов, например, обособлены коферментсвязываю­

щие домены. С учением о доменном принципе строения белков связано постепенно внедряющееся в белковую химию развитие представлений об элементах однотипности, блочности, стандартности третичной структуры бел­ ков, об ограlЩченности набора пространственных упаковок полипептидных

цепей, реально существующих в природных белках.

Сейчас домены считают фундаментальными элементами структуры белко­ вых молекул, и соотношение и характер компоiIовки а-спиралей и р-слоев, как

полагают, дает для понимания эволюции белковых молекул и филогенетиче­

ских связей больше, чем сопоставление первичных структур. Причина этого

лежит в том, что в процессе эволюции происходило слияние доменов, их

удвоение, возникновение псевдосимметричных доменов из повторяющихся

субдоменов; некоторые из этих событий связаны с дупликацией генов и други­

ми изменениями генетического аппарата.

Есть много оснований полагать, что третичная структура белковой моле­

кулы возникает совершенно автоматически. Движущей силой, свертывающей

73

полипептидную цепь белка в строго определенное трехмерное образование,

является взаимодействие аминокислотных радикалов с молекулами окружа­

ющего растворителя. При этом лиофобные радикалы вталкиваются внутрь белковой молекулы, образуя там сухие зоны (<<жирная капля»), а лиофиль­ ные-ориентируются в сторону растворителя. В некоторый момент достига­

ется энергетически выгодная конформация молекулы в целом, и белковая

молекула стабилизируется.

Самоорганизация полипептидной цепи определенного белка в только ему

присущую уникальную пространственную структуру, т. е. процесс возникнове­

ния третичной структуры, проходит в несколько этапов (рис. 36).

На конформацию возникшей глобулы оказывают сильное влияние такие

факторы, как рН среды, ионная сила раствора, а также взаимодействие

белковых молекул с другими веществами, что лежит в основе регуляции

обмена веществ, в частности аллостерическоli регуляции активности фер­

ментов.

Разработка представлений о самоорганизации белковых глобул сопровож­

далась не только введением понятия о доменах, о чем уже было сказано выше,

но и новым подходом к характеристике уровней структуры белковых тел:

к ним добавился упомянутый уже доменный уровень и надвторичная структу­ ра. Под последней подразумевают закономерносm возникновения в процессе . свертывания полипепmдной цепи элементарных структур, представленных

Р-слоями (13, Р'-структура), сочетанием а-спиральных участков (а, а'-структура)

или тех и других одновременно (рис. 37). Преобладаю­

щей среди надвторичных структур оказалась топо)югия

I

'"

	греческого ключа и греческого орнамента.
	Существенно, что фрагменты полипептидной цепи,
	соответствующие доt1еItам и даже субдоменам, способны
	. независимо поддерживать близкую к нативной структу-
I	ру. Так, цианбромидный фрагмент (121-316-й аминокис­
1,.	лотные остатки) и его субдомен (205-316-й остатки)
"'"	термолизина (протеолитического фермента из термо­
'.	фильной бактерии) самопроизвольно образуют стойко
t.
..	удерживаемую нативную структуру. Весь же процесс
	формирования третичной структуры таких, например,

•п белков, как угольная ангидраза, а- и Р-лактоглобулиn,

	~	..•....				фосфоглицераткиназа и лактамаза, занимает всего лишь
						0,2 с. Вместе с тем выявлены факторы, лимитирующие
		..•....
			- -			скорость складывания полипептидов в процессе возник­
	-~					новения третичной структуры; к их числу относится цис­
						транс-изомеризаnия связи Х-про (где Х-любая ами-
			-
			-			m нокислота), ускоряемая пептидилпролил-цис-транс-изо-
	~","" 1'1					Рис. 36. Стружтурные превращеНИJI полипептидной цепИ при форми'
	-.,		1"	"		ровании белковой l"Лобулы
					-	Нв 1 зтапе ПРОRСХОДП локальные 8З8имодеЙстви. иа разЛRЧНЫХ )"IIIC1'X8X всей полипептидноli
						цепи, 8 результате J:оторыJt 8Озmп:ают флуктуирующие а·сnирали и Р-СЛОН, Образование
	.. -_..					а-i:пиралей ивициируетсs с тоli ТО'ПII полнneптвда, где сосредоточеНlol остатlCИ ДJlкзрбоиовых
						аминокислот, и терминируете. в зоне остаТI:ОВ диаминоа:ислот~ тогда ка!: центральн8.JI част•
	-'				-	ВОЗИИl<ающих а-i:nиpалeli зaIIята аминОКНСЛОТНЫМИ остаnзми с гидрофОБНЫМИ радикалами.
						На ЭТОМ зтапе самоорганизации беЛJ:овоli молеkУЛW ВОЗRlRает максимально возможное "оличе-
			•••• 1.			IV ство a-i:nИPальных J:онформациli полиnenтида, охватывающее больщую часть полипептндноil
						цепи. Поэтому НЛЛЮСТР!'РуеМ8JI rиnотеза самоорганизации белковых молекул получила назва­
	.'1'1'"					ние гипотезы избыточllыJ< спиралей. На 11 этапе осущестВЛRетСR направленное	сближение
	•			- =		зародьlшевых структур, «е1<лопыание» а-спиралей и возникновение одного или	нес1<олысиx
				-	~	гидрофобных lIДep за счет контактов гидрофобных p8д1II<алов амИ!юICИСЛОТ а-спиралеll. В этот

-структур и преобразоаанию промежуточноll, высокоспиральной глобулы в нативную глобулу.

На IV этапе возmп:ает ОJ:ouчатеЛЬНaJI. характерна" дм данного белка третичнu структура"111 этап СВОДИТСR компаI<Тизации зародышевыхмомент возmп:ает глобуЛllpНIUI структура.

молекулы

74

.:::.

. '."

.......

,

;,--

О;

~;

,.

.':::

::-

о::.

"

'.

::

<,

-'

:

..,;

"

:

~~

-"!

'.'

:'

I

;

о"!

!'

"

:"

.-1

:

---' :

..

;;-

.iIII!

..

i:-

~~

."t

""

::

~

.

"

."t

"

.""

-'!

::

[,

"

I

~.

~

,

-'

"

'о

:-

f'

-'

:

~

~,

,"

;",-

;.;'.

о',

....

"

",

',-

.-1

~

:

,

,

рр'

рар'

"

аа'

Греческий мюч

ГречеСJCИiI

орнамент

Рис, 37, НаД8торичные структуры белка

меразой. Рассмотренный механизм самоорганизации белковых глобул полу­

чил изящное подтверждение в работах (начиная с 1988 года) по синтезу

искусственных белков. Их создано к настоящему времени более двух десятков.

Исходя из представлений о приуроченности а-спиралей. р-слоев и участков

неорганизованной полипептидной цепи к определенным аминокислотным по­

следовательностям в синтетически полученных полипептидах, удалось СIЮНСТ­

руировать белковые молекулы, где автоматически и самопроизвольно воз­

никали элементы вторичной и надвторичной структуры, неизбежно занима­ ющие заранее рассчитанные позиции при формировании пространственной структуры молекулы такого искусственного белка. Так созданы методом

белковой инженерии синтетические белки, получившие условные названия

«Феликс» (от анrл. four helices, т. е. из 4-х а-спиралей), «альбебетин» (ш,>строен

из а-спиралей и Р-слоев в соотношении 1:2, т. е. аль:бебе) и т. п. Более того,

они обладали заранее запрограммированными свойствами и биологической

активностью.

Вместе с тем в течение последнего десятилетия 'взгляды на саморегуляцию

процесса свертывания полипептидны}[ цепей белков при формировании их третичной структуры in vivo существенно изменились. Оказалось, что приве­ денные вьпnе преобразования (см. предыдущую стр. и рис. 36) осуществля­

.ются не сами по себе, а под влиянием особых. предназначенных именно для

этой цели специфических белков, названных шаперонами (так в Англии назы­

вали пожилую даму, удерживающую от непродуманных контактов молодую

девушку, впервые выходящую в свет под ее руководством). Будучи в большин­ стве своем трубчатыми 'олигомерами, составленными из 10-90 кДа субъеди­

ниц, объединенных в наложенные друг на друга семичленные кольца, они

вовлекают внутрь олигомера пока еще неорганизованную полипептиднyIO

цепь и контролируют ход образования ею вторичных и надвторичных струк­

тур и их взаимную пространСтвенную укладку (см. рис. 36), обеспечивающую возникновение третичной, присущей нативной (фymщионально значимой) гло­ буле данного белка.

Однако и эта концепция, по-видимому,-не последнее слово в далеко

неоднозначно решаемой проблеме складывания (фолдинга) полипептидных

цепей. Исходя из эксперИментальных и теоретических подходов, разработан­

ных в процессе исследований кода белкового синтеза (см. ниже. гл. VII)

высказано предположение (Л. Б. Меклер и Р. Г. Идлис; Г. И. Чипенс) о су­

ществовании общего стереохимического генетического кода, позволяющего

попить, как трехмерные молекулы белков сформировались из линейных поли­

пепт~х цепей. Суть вопроса сводится к наличию кода взаимодействия

75

аминокислотных остатков друг с другом, что обеспечивает реализацию ин­

формации, уже заложенной в первичной структуре белка (и, естественно,

в мРНК и ДНК) в виде элементов вторичной и надвторичной структур и,

В конечном счете, в виде уникальной третичной структуры данного белка.

Четвертичная структура белка. Ранее уже было отмечено, что крупные

молекулы белков состоят, как правило, из субъединиц со сравнительно небо­ льшой молекулярной массой. Такие молекулы называют эпимолекулами (сверхмолекулы) или мультимерамв, а составляющие их элементы-субъеди­

иицами или протомерами.

Структура, характеризующаяся наличием в белковой эпимолекуле опреде­ ленного числа полипептидных цепей (субъединиц), занимающих строго фикси­ рованное пространственное положение, вследствие чего белок обладает той

или иной биологической активностью, называется четвертичной.

От четвертичной структуры следует отличать олигомериое и агрегироваШlOе

состояние белка. Структура, характеризующаяся существованием в составе белковой частицы нескольких полипептидных цепей, число которых изменяет­

ся в определенной пропорции, называется олигомерноЙ. Крайне важно, что,

··~r'l.ЮТРЯ на относительное постоянство числа полипептидных связей в олиго­

....l.рс белка и их упорядоченное расположение, у олигомера не возникает биологической активности. Так, например, сывороточный альбумин быка

существует в виде мономера (М = 68000), димера (М = 136000), тримера

(М = 204 000) и тетрамера, причем мономеры, объединяясь волигомерные

·структуры, располагаются в составе ди-, три- И тетрамера упорядоченно.

Однако это не сопровождается возникновением каких-либо новых качеств по сравнению с теми, которыми обладает мономер данного белка.

Под агрегированным состоянием белка подразумевают такую структуру

белковых частиц, которая npедставлена неопределенным и изменяющимся в широких пределах числом полипептидных цепей. При этом агрегация моно­

меров тоже не приводит к формированию каких-либо особых свойств у белка,

находящегося в таком структурном состоянии. Так, цитохром с (и другие цитохромы) обладают резко выраженной способностью к агрегации молекул друг с другом, но этому явлению не сопутствует изменение свойств фермента.

Сейчас	выяснена	четвертичная структура нескольких сотен белков.
В 1965 г.	информация	о четвертичной структуре ограничивалась примерно

20 белками; в 1970 г. появилась первая солидная сводка, включавшая 108 бел­

ков, а в 1976 г. Д. Дарнелл и и. Клотц опубликовали таблицу, содержавшую

перечень свыше 500 белков и дапные о молекулярной массе мультимеров,

протомеров и количестве последних в эпимолекуле.

Оказалось, что число субъединиц в эпимолекулах колеблется в очень широких

пределах: от 2 до 162. Наиболее часто в составе молекул-мультимеров насчиты­ вается 2 или 4 протомера, гораздо реже-6, 8, 10, 12 или 24 и в редчайших

случаях-их нечетное количество. Четвертичной структурой обладают в основ­

ном белки с молекулярной массой выше 50000-60000, а белки с меньшими молекулярными массами существуют, как правило, в виде мономеров. Критиче­

ским пределом молекулярной массы белковой молекулы, сверх которого белок

в большинстве случаев обладает четвертичной структурой, считают 100000. Что

касается молекулярных масс субъединиц, то они npинимают самые разнообраз­ НbIe значения, от нескольких тысяч (например, 6000 у инсулина) до 330000 (у каждой из двух субъединиц тиреоглобулина-белка щитовидной железы, ответственного за биосинтез гормона тироксина-см. гл. ХН).

Классическим примером белка, имеющего четвертичную структуру, явля­ ется гемоглобин (рис. 38). Молекула гемоглобина (М=68000) построена из

четырех субъединиц с М = 17000 каждая. Первичная, вторичная и третичная

76

А

6

мо1(J!ин..алыluu nадиие 9нм

CpetJHUU раоиус ~5н,.,

Шаг сnиралu 2,3НМ

~~==ПериоВuiJен/Пu'/ноеmи(6,9нн,

'19 су6ье6иниц)

Ра8и 'с полост" 2Н1'I

b'I~~~ Нуклеuно6аR

кислота Ос, '/QCmuq61

8

r

Рис. 38. Четвертичная структура беmcовых молекул:

А-модели субыДIПIRQ гемоглобииа типа 11 (слева) и 11 (справа). Блоки, из ",оторых составлеRы моделв, хараа:теризуют распределение злеа:тровиых IUJOтностеll в разных частих моле"улы; чернак (слева) и бела. (справа)

линии Уkазывают расположение хребта полипепТИдНоlI цепи; Б-трехмернu модель молекулы reмоглобина;

. субъедииицы типа 11 (светлые) и (3 (темные) располоJl<cRы по утлам почти правильноro тетраэдра, темвые

ДВСЕН-группы reмa; В-модель молекулы вируса табачноll моз3ИItИ: cвapY"'ll вИднЫ бeлt<овые субьедииицы, темна. сnиpaль-НУ1<Лсииоваа JЗlслота; r- раCnОЛОJl<Cние суБЫдllllllll в молекулс вируса табачноll моэаиl<И

(разрез)

структуры субъедиmщ молекулы гемоглобина полностью выяснены. Они

оказались попарно идентичными и были названы субъединицами типа (Х и р.

Субъединица типа (Х представлена полипептидной цепью из 141 аминокис­

лотного остатка, J3-из 146. Третичная структура.их сходна. Четыре субъеди­

ницы (две типа(Х и две типа J3) соединяются в единую молекулу гемогло­ бина, располагаясь в углах почти правильного тетраэдра (рис. 38, Б). Та­

ким образом, возникает почти шаровидная молекула с параметрами

0,50 х 0,55 х 0,64 нм.

Принципиальный интерес для будущего учителя химии и биологии пред­

ставляет вопрос о том, как взаимосвязаны структура гемоглобина с его функцией-способностью связывать, переносить и легко отдавать кислород.

Это явление детально изучается в средней школе. Непосредственно молекула

кислорода присоединяется к Ре2 +, закрепленному в центре молекулы гема

(рис. 39), который, в· свою очередь, удерживается в mдрофобном кармане

каждой .из субъединиц, будучи присоединен координационными связями IC имидазольным радикалам гистидина, расположенным в дистальной и про­

ксимальной частях полипептИДНОЙ цепи, образующей (Х- или Р-протомер гемо­

глобина. Присоединение кислорода к Ре2 идет без изменения валентности

последнего на одну из его свободных координационных связей; при этом

радиус атома Ре2 + уменьшается и он вместе с 02 перемещается в плоскость

порфиринового кольца. Здесь он удерживается до тех пор, пока молекула

гемоглобина не будет перенесена в ткань с более низким содержанием 02' где И происходит обратный процесс отдачи кислорода. И связывание 02' и его

высвобождение сопровождается конформационными изменениями структуры (Х- и Р-субъединиц гемоглобина и их взаимного расположения в мультимере.

77

Дистanьиый фр3Пdент

пonнnептидноА цепи

субъединицы

На рис. 38 приведена также схе­ ма строения сложного белка (нукле­ протеина)-вируса табачной мозаи­ ки. Его гигантская молекула

(М = 40 000 000) содержит небольшое

количество (около 6%) РНК, осталь­

ное приходится на белок. Белковая

Проксимальный

фР3Пdеит

Рис. 39. Структура активноrо центра и механизм

связывания кислорода субъединицей rемоrлоби­

на (ПОlIснении в тексте)

часть складывается из большого

числа (2130) субъединиц с М = 17 500

каждая. Молекула вируса -табачной мозаики представляет собой полую палочку длиной около 300 нм и тол­ щиной примерно 17 нм, с отверсти­ ем в центре диаметром в 4 НМ. Каж­ дая субъединица имеет размеры

2 х 7 нм. Субъединицы расположены

по спирали, каждый виток которой

образован примерно 16 субъедини­ цами. Молекула нуклеиновой кисло­

ты, следуя спиральному располо­

жению субъединиц, проходит между их рядами. Вдоль молекулы рас­ полагается свыше ста витков из бел­ ковых субъединиц.

Самое поразительное явление, на­ блюдающееся при изучении четвер­

тичной структуры белковых молекул, состоит в том, что объединение протоме­

ров в молекулу мультимера осуществляется самопроизвольно. Предполагают, что в молекуле каждого протомера есть специфические участки, взаимодей­ ствующие с таковыми в других протомерах. При соединении протомеров в мультимер возникают ионные связи. В их формировании принимают участие ионы металлов и иногда низкомолекулярные органические соединения. Однако наибольший вклад в поддержание целостности структуры мультимеров вносят

силыслабых взаимодействий, аименно-гидрофобные взаимодействия и водо­

родные связи; суммарный эффект тех и других достаточно велик! чтобы обеспечить стабилизацию четвертичной структуры белков. Как вне организма,

так, видимо, и в клетках мультимеры способны обратимо диссоциировать на

протомеры.

Принципиально важно, что малейшее изменение третичной структуры

протомеров делает невозможным соединение их в молекулы мультимера, что

резко сказывается на биологической активности белка. Поскольку третичная структура белка задается его первичной структурой, а также зависит от ряда других факторов (рН среды, концентрация солей и т. п.), то даже незначитель­ ное изменение первичной структуры белка или стандартных условий в клетке приводит к изменению функциональной активности белков. Указанные явле­

ния лежат в основе регулярных процессов в организме.

СВОЙСТВА БЕЛКОВ

Различают химические, физические и биологические свойства белков. Химические свойства белков отличаются исключительным разнообразием.

Обладая аминокислотными радикалами различной химической природы, бел-

78

ковые тела способны давать широкий круг реакций. При рассмотрении

свойств аминокислот эти реакции уже были перечислены. Все они характерны

и для белков.

Особо важную роль в обеспечении определенных структурных особен­

ностей белковых молекул и ряда их биологических свойств имеют реакции

между радикалами аминокислотных остатков в пределах одной и той же

белковой молекулы. При этом выявляется отчетливая зависимость третичной структуры белков от ряда внешних условий: рН среды, концентрации солей

в растворе, окислительно-восстановительного режима клетки и др. Типы этих

реакций отмечены на рис. 35. Весьма характерна для белков реакция гид­

ролиза пептидных связей. Располагая значительным числом основных и кис­

лыIx групп, белки проявляют амфотерные качества.

Некоторые физические свойства белков (молекулярная масса, двойное луче­ преломление, подвижность в электрическом поле) рассмотрены выше. Кроме них, для белков характерны оптические свойства, заключающиеся в способ­

ности вращать плоскость поляризации света (оптическая аКТИВНОСТЬ'белков),

рассеивать световые лучи ввиду значительных размеров белковых частиц

и поглощать ультрафиолетовые лучи. Перечисленные оптические свойства

белков используют при их количественном определении, измеренШI молеку­ лярной массы и т. п.

Одним из характерных физических свойств белков является их способность

адсорбировать на поверхности молеКУЛ,(а иногда и захватывать внутрь моле­

кулы) низкомолекулярные органические соединения и ионы. С этим свойством

белков связана их транспортная функция в организме: некоторые белки явля­ ются хорошими переносчиками продуктов обмена.

К числу биологических свойств белков относят в первую очередь их биока­

талитическую активность. Благодаря особому строению молекулы или нали­

чию активной группы, соединенной с белком, 'многие белки обладают способ­ ностью каталитически ускорять ход химических реакций. Это свойство белков

играет огромную роль в осуществлении процессов жизнедеятельности. Оно

будет детально рассмотрено в главе о ферментах. Другое не менее важное

биологическое свойство белков-их гормональная активность, т. е. способ­

ность воздействовать на целые группы реакций в организме. Ряду белков

присущи токсические свойства, патогенная активность, защитные и рецептор­

ные функции, триггерное поведение, ответственность за явления клеточной адгезии и, как следствие этого, морфогенеза и т. п.

Огромна пластическая роль белков: в сочетании с другими макромолекула­ ми они дают начало смешанным биополимерам-нуклеопротеинам, липопро­

теинам и гликопротеинам, которые, в свою'очередь, обеспечивают возникнове­

ние субклеточных структур и надклеточных образований в организме. Харак­

терно, что информация о том, как будет построена та или иная субклеточная структура, содержится именно в белковых молекулах. Сочетание своеобразных химических, физических и биологических свойств белков обеспечивает именно

этому классу органических соединений центральную родь в явлениях жизни.

Еще одно своеобразное качество белковых тел-денатурация. Белки, об­

ладающие всеми характерными природными свойствами, называются патив­

пыми. Часто под влиянием очень мягкой обработки, например легкого встря­ хивания, и тем более при грубых физических или химических воздействиях белки быстро теряют нативность и переходят в денатурированное состояние.

Изменение уникальной структуры нативного белка, сопровождающееСJl поте­

рей характерных для него свойств: растворимости, биологической активности,

электрофоретической подвижности и т. п., называется денатурацией. Денату­

рация, как правило, затрагивает третичную и частичн~ вторичную структуры

79