Лекции - 2006 / 5. Аминокислоты

Расшифровка структуры миоглобина проводилась в несколько этапов. Гемоглобин был получен в виде правильного кристалла и на рентгенограм-ме низкого разрешения было сначала установлено пространственное рас-положение полипептидной цепи без учета отходящих от нее радикалов R. Затем в результате съемки с более высокой разрешающей способностью была получена рентгенограмма, позволившая установить положение тяже-лых атомов, входящих в состав этих радикалов.

Оказалось, что в миоглобине около 80 % всех аминокислотных остатков (всего их 159) включено в -спирали, образующие 8 почти прямолинейных участков, из которых самый длинный включает 23 аминокислотных фраг-мента, а самый короткий – 7. Все четыре входящих в состав этого белка молекулы пролина образуют изгиб полипептидной цепи. Все полярные функциональные группы, кроме двух, расположены на наружной поверх-ности белковой глобулы, а большая часть гидрофобных групп внутри ее. Молекула миоглобина настолько компактна, что внутри ее могут помес-титься всего лишь четыре молекулы воды. Из различных организмов было выделено несколько разновидностей миоглобина, но все они очень близки по форме глобул. Оказалось также, что в некоторых ключевых точках полипептидных цепей разных миоглобинов находятся одинаковые амино-кислотные составляющие. Такие аминокислоты называют инвариантными.

Строение миоглобина, 80 % пептидных фрагментов которого включено в -спирали, определяется его ролью переносчика кислорода. Такая жесткая структура мало приспособлена для многообразных конформационных переходов. В отличие от этого в молекулах ферментов на долю -спиралей приходится обычно не более 40 % аминокислотных составляющих, но именно -спирали образуют каталитические центры ферментов и предна-значенные для связывания с другими молекулами участки рецепторов и регуляторных белков.

Миоглобин и цитохром с не содержат складчатых -структур, но эти эле-менты третичной структуры белков обязательны для подавляющего боль-шинства ферментов. В качестве примера можно привести защитный белок с гидролазной активностью лизоцим (лизис – разрыв, растворение). Он со-держится в яичном белке, в слезах и в слюне, а его антимикробная актив-ность основана на расщеплении олигосахаридных фрагментов, соединен-ных со структурными элементами мембран многих бактерий. В ‑струк-туры лизоцима включено 12 % аминокислотных фрагментов, в ‑спирали – 40 %, а остальные образуют различные изгибы и иррегулярные витки. Активный центр лизоцима составлен только -спиралями.

Еще один пример структурной организации – предназначенный для гидро-литического расщепления рибонуклеиновых кислот фермент рибонук-леаза. Она секретируется клетками поджелудочной железы в двенадцати-перстную кишку и поступает в тонкий кишечник. В молекуле рибонук-леазы 124 молекулы аминокислот, из них 26 % входит в состав участков, образующих -спирали, и 35 % находится в ‑структурах. Нативная кон-фигурация рибонуклеазы поддерживается четырьмя дисульфидными мос-тиками. Организация третичной структуры белка происходит в процессе его последовательного биосинтеза из аминокислот, а нарушение нативной структуры нагреванием или высокими значениями рН чаще всего приво-дит к необратимой потере ферментативной активности. Этот процесс называется денатурацией. Однако многие белки с небольшой молекуляр-ной массой в некоторых случаях сохраняют способность к ренатурации, то есть к восстановлению нативной структуры. К таким белкам относится и рибонуклеаза.

При обработке рибонуклеазы концентрированным раствором мочевины (разрыв водородных связей между пептидными функциональными груп-пами) и меркаптоэтанолом (разрыв дисульфидных связей) белковая цепь рибонуклеазы разворачивается и теряет каталитическую активность, по-скольку в этом случае пространственная организация активного центра полностью нарушена. Если денатурированную таким мягким способом рибонуклеазу подвергнуть диализу, то есть с помощью полупроницаемой мембраны отмыть от нее мочевину и избыток меркаптоэтаноламина, то она почти полностью (на 95 %) восстановит каталитическую активность, а через некоторое время в процессе окисления кислородом воздуха восста-новятся дисульфидные мостики и структура белка стабилизируется. После этого рибонуклеаза станет гораздо более устойчивой к внешним воздейст-виям, чем без этих жестких сшивок, поддерживающих оптимальную тре-тичную структуру.

Интересно, что простой вероятностный перебор вариантов самоорганиза-ции белка из 100 пептидных фрагментов для получения конфигурации с минимумом энергии занял бы 10⁵⁰ лет. Очевидно, правильная укладка небольшого участка полипептидной цепи значительно упрощает организа-цию расположенных рядом участков, и чем больший участок белковой молекулы принял оптимальную структуру, тем скорее в этот процесс вовлекаются остальные. Простота такой самоорганизации денатурирован-ного щадящими способами белка может быть связана и с тем, что в нем сохраняются определенные критические структурные элементы, вокруг которых затем и идет ренатурация.

В связи с этим понятно, что расшифровка генетического кода пока не может быть эффективно использована для получения белков по соответст-вующим генам. Здесь можно вспомнить, что кроме значащих участков ДНК содержит так называемые экзоны, вычленить которые на основании формальных признаков без ошибок не так просто. Если это все же удастся, то самопроизвольное сворачивание синтезированной белковой молекулы в требуемую для правильного функционирования белка пространственную структуру (фолдинг) еще менее вероятно. Сейчас разрабатываются компь-ютерные программы, предполагающие, что истинной третичной структуре белка соответствует минимум энергии. Но даже с использованием принци-па «Монте Карло» обсчет достаточно простых белков на самых современ-ных компьютерах занимает несколько месяцев.

По строению белки разделяются на две основные группы – фибрил-лярные (нитевидные) и глобулярные (овальной или округлой формы).

По биологической функции можно выделить такие группы белков:

1. Ферменты.

2. Транспортные белки (гемоглобин, сывороточный альбумин, липопротеины).

3. Пищевые или запасные белки (глиадин из зерен пшеницы, яичный альбумин, казеин).

4. Сократительные и двигательные белки (актин, миозин, тубулин).

5. Структурные белки (коллаген, эластин, кератин, фиброин).

6. Защитные белки (антитела, тромбин, токсины, например, токсин ботулизма, рицин, яды змей и паукообразных).

7. Регуляторные белки (инсулин, кортикотропин, репрессоры и др.).

Белковые молекулы в биологических объектах всегда находятся в состоя-нии сборки и разборки, что объясняет присутствие в клетках как свобод-ных аминокислот, так и очень большого числа пептидных молекул различ-ного размера в самых разных концентрациях. Так, например, в клетках можно с помощью экстракции и хроматографии обнаружить около 100 пептидов с концентрацией, превышающей 100 пмоль/г, с концентрацией от 10 до 100 пмоль/г их уже около 1000 и еще на порядок возрастает число пептидов, содержание которых не превышает 1 пмоль/г. Понятно, что со-став экстрактов в значительной мере зависит от способов их получения.

Многие аминокислоты выполняют определенные метаболические и регу-ляторные функции и поэтому их роль не ограничивается только участием в биосинтезе белков в качестве их структурных элементов.

Постоянно расширяются знания о регуляторной роли пептидов. Многие из них играют роль гормонов. Сравнительно простое соединение – глютати-он, представляющий собой ацилированный -карбоксильной группой глютаминовой кислоты цистеинилглицин -Glu-Cys-Gly, защищает все жи-вые клетки от алкилаторов, окислителей и свободных радикалов. Пента-пептид энкефалин Tyr-Gly-Gly-Phe-Met выполняет функцию нейромедиа-тора в нервной системе человека, то есть это вещество участвует в межней-рональных взаимодействиях. Из мозга быка выделен дипептид с аналогич-ной ролью Tyr-Arg (кноторфин), а у насекомых нейромедиатором является пентапептид проктолин Arg-Tyr-Leu-Pro-Thr.

Проявляют биологическую активность и некоторые пептиды, образующие-ся при ферментативном гидролизе белков и полипептидов. Так, например, сравнительно устойчивы к действию пищеварительных ферментов про-дукты протеолиза казеина -казоморфины:

Tyr-Pro-Phe-Pro-Gly-Pro-Ile (из молока коровы) или

Tyr-Pro-Phe-Val-Glu-Pro-Ile (из материнского молока).

Эти вещества могут поступать в кровь из пищеварительной системы. Они оказывают мягкое снотворное и успокаивающее действие, являясь аналога-ми (агонистами) энкефалина.

При гидролизе адренокортикотропного гормона (АКТГ), состоящего из 39 аминокислот, образуется тетрапептид Met-Glu-His-Phe, стимулирующий высшую нервную деятельность. Многие такие продукты неполного проте-олиза белков являются иммуномодуляторами, например, тафцин Thr-Lys-Pro-Arg. Этот тетрапептид также улучшает познавательные функции цент-ральной нервной системы.

Циклическим пептидом является антибиотик грамицидин С (S):

,

в составе которого есть две небелковые аминокислоты L-орнитин и D‑фе-нилаланин. Встраиваясь в мембраны бактерий, грамицидин S нарушает их функционирование, что и приводит к их гибели. Еще один циклический антибиотик валиномицин, молекула которого построена из 12 аминокислот с участием молочной кислоты и D‑валина, встраивается в мембраны бакте-риальных клеток, образуя в них каналы для прохода ионов калия. Его цитостатический эффект связан с нарушением водно-солевого баланса.