2.3.5.Четвертичная структура

Белки могут быть построены из нескольких полипептидных цепей (субъединиц); из таких белков наиболее широко известен, по-видимому, гемоглобин. Под четвертичной структурой белка понимают способ упаковки субъединиц. Как видно из приведенных в табл. 2.10 данных, множество белков, в особенности ферментов (обычно их названия оканчиваются суффиксом -аза), представляют собой олигомеры и поэтому должны обла­дать характерной четвертичной структурой. Считается, что четвертичная структура стабилизируется теми же силами и связями, что и третичная. Иногда, как в случае инсулина, в образовании четвертичных структур участвуют дисульфидные связи, однако в большинстве приведенных в.табл. 2.10 примеров субъединицы удерживаются в олигомерной молекуле белка за счет более слабых взаимодействий. Известно, что многие оли-гомерные белки способны к самоконденсации; так, например, разделенные а- и (i-цепи гемоглобина в растворе быстро ассоциируют с образованием молекул интактного гемоглобина. Это свойство белков чрезвычайно показательно в том смысле, что оно свидетельствует (по меньшей мере в некоторых случаях) об определяющей роли биохимического одномерного кода ДНК, который характеризует не только первичную структуру белков, но и посредством ее все высшие структурные уровни белков, а следовательно, и их специфические биологические функции.

Имеющиеся в настоящее время данные показывают, что построение молекул некоторых белков из нескольких субъединиц обеспечивает выполнение по меньшей мере двух важных биологических функций: во-первых, регулирует каталитическую активность ферментов и, во-вторых, создает широкие возможности для построения родственных, но не идентичных молекул из одного и того же набора субъединиц. Иллюстрацией последней функции могут служить белки, называемые изоферментами или изозимами. Изоферменты представляют собой различные молекулярные формы фермента, катализирующие одну и ту же реакцию в организмах одного вида. Существование изо-ферментов само по себе может показаться ненужным, однако на самом деле доступность параллельных, но различных каталитических процессов является важным элементом ряда систем биохимической регуляции (гл. 3 и 5). Известно, что некоторые ферменты представляют собой олигомерные белки; описан случай изоферментов, построенных из пяти субъединиц только двух типов. Подобную конструкцию можно считать выгодной и целесообразной, поскольку она позволяет синтезировать пять различных белков всего лишь из двух полипептидных цепей.

Таблица 2.8. Характеристики некоторых олигомерных белков

2.4. Липиды.

Липидами называют соединения биологической природы, растворимые В неполярных растворителях (бензоле, хлорофор­ме, эфире и т. п.) и практически нерастворимые в воде. Из такого определения следует, что липиды могут иметь различное химическое строение и выполнять различные биологические функции. Их относительно низкая растворимость в водных сре­дах является причиной того, что липиды встречаются в основ­ном в неводных биологических фазах, в особенности в клеточ­ных мембранах и мембранах органоидов. К липидам относятся жиры, представляющие собой резервы полимерного биологиче­ского топлива, а также некоторые важные медиаторы биологи­ческих процессов. Липиды также входят в состав более слож­ных соединений, например липопротеинов и липосахаридов, которые опять-таки в основном располагаются в биологических мембранах клеток и во внешних оболочках некоторых вирусов.

Жирные кислоты и родственные липиды.

Насыщенные жирные кислоты представляют собой отно­сительно простые липиды общей формулы СНз(СН2)_nСООН. В процессе биосинтеза углеводородная цепь жирных кислот строится из идентичных мономерных звеньев с двумя атомами углерода, поэтому жирные кислоты можно рассматривать как не несущие информации биополимеры с концевой карбоксиль­ной группой. В биологических системах п обычно принимает четные значения от 12 до 20.

Ненасыщенные жирные кислоты образуются при замене на­сыщенной (—С—С—) связи на двойную связь (—С=С—). Например, олеиновая кислота является ненасыщенным анало­гом стеариновой кислоты

(п=16):

СНз (СН₂) ₁₆СООН СНз(СН₂) ₇СН=СН (СН₂)₇СООН

стеариновая кислота олеиновая кислота

Углеводородная цепь придает этим соединениям гидрофоб­ные свойства, но карбоксильная группа в высшей степени гид­рофильна. Поэтому, когда жирная кислота находится на гра­нице раздела фаз воздух — вода, небольшое ее количество образует ориентированный мономолекулярный слой (монослой), в котором полярные карбоксильные группы связаны водой, а углеводородные цепи направлены в сторону воздушной фазы (рис. 2.1). Это явление лежит в основе механизма действия моющих средств, представляющих собой соли жирных кислот. Образование мыльного монослоя значительно снижает поверх­ ностное натяжение на границе воздух —вода, что резко повы­шает способность раствора смачивать и очищать загрязненные места.

Такого рода гидрофобно-гидрофильные молекулы липидов обладают очень невысокой растворимостью; повышение кон­центраций раствора выше того предела, который необходим для создания монослоя, приводит к агрегированию избытка растворенного вещества в виде сравнительно больших упоря­доченных структур, называемых мицеллами (рис. 2.13). Движущей силой этого процесса является уменьшение общей свобод­ной энергии системы в процессе формирования мицелл из раствора. Та или иная структура мицеллы диктуется увеличе­нием числа энергетически выгодных контактов между группи­ровками одинаковой степени гидрофобности (гидрофильности) и соответствующим уменьшением числа взаимодействий между гидрофобными и гидрофильными группировками. Известно, что аналогичные взаимодействия между гидрофобными и гидро­фильными участками одного биополимера являются причиной существования полимерной цепи в одной предпочтительной кон-формации. Такое поведение ДНК и белков мы вкратце рассмот­рим позднее.

Жиры, выполняющие важную функцию внутриклеточного топлива, представляют собой сложные эфиры, образующиеся при конденсации жирных кислот с глицерином:

В щелочной среде при нагревании жиры и другие липиды, рассматриваемые в настоящем разделе, гидролизуются до гли­церина и солей жирных кислот (мыла) — именно таким путем мыла были впервые получены из животных жиров. Подобная реакция, обратная приведенной выше схеме синтеза жиров, в пищеварительном тракте животных осуществляется при тем­пературе тела и катализируется особыми ферментами, способ­ными расщеплять жиры; микроорганизмы также продуцируют такие ферменты, роль которых заключается в гидролизе некоторых жиров на более мелкие фрагменты, способные затем про­никать в клетку через клеточные мембраны.

По строению (но не по выполняемой ими функции) жирам близки фосфоглицериды. В молекулах последних остаток фосфорной кислоты замещает один из концевых остатков жирной кислоты. В результате получается соединение, в молекуле которого опять-таки имеются гидрофильные и гидрофобные ос­татки, поэтому фосфоглицериды в достаточно высоких концентрациях также способны образовывать мицеллы. Если в раствор фосфолипида поместить пластинку с небольшим отверстием, то в последнем может сформироваться плоский бимолекулярный слой (бислой) толщиной около 70 А (7-10^-7 см) Биологические плазматические мембраны обычно содержат значительные количества фосфолипидов и других полярных липидов. Кроме того, для плазматических мембран характерен хо­рошо различимый на электронных микрофотографиях бимолекулярный слой примерно такой же толщины, а самопроизвольно образующийся двойной фосфоглицеридный слой. По этой причине синтетические бислойные липидные мембраны могут служить удобной моделью для изучения основных особенностей тонких биологических мембран.

По ряду физических свойств липидные бислойные мембраны напоминают клеточные мембраны. Оба типа мембран имеют высокое электрическое сопротивление и значительную электрическую емкость, что в большой степени обусловливает непроницаемость природных мембран для веществ, несущих электри­ческий заряд, например фосфорилированных соединений. Это свойство мембран в свою очередь позволяет клеткам хранить запас заряженных питательных веществ и промежуточных продуктов метаболизма, а также поддерживать высокую разность концентраций небольших катионов (Н+, К⁺, Na+ и т. п.) внутри клетки и вне ее.