Биохимические основы жизнедеятельности организма человека - Волков Н.И., Несен Э.Н. 2000

Биохимические основы жизнедеятельности организма человека
Биохимия белков
Структурная организация белков

Белки состоят из большого количества (не менее 50) аминокислот, соеди­ненных между собой пептидной связью. Поэтому они называются полипеп­тидами.

Пептидная связь — это прочная ковалентная связь между амино­группой (—NH₂) одной аминокислоты и карбоксильной группой (-СООН) — другой аминокислоты. При этом образуется дипептид и высвобождается молекула воды:

Рис. 87 Реакции биосинтеза креатина и креатинфосфата

Название пептидов образуется от названия аминокислот, последова­тельно входящих в полипептид. При этом в названии аминокислот, за ис­ключением последней аминокислоты, которая сохраняет свою карбоксиль­ную группу, меняется суффикс "ин" на "ил": глицилаланин, аланилглицил-тирозин.

Структура, или конформация белков

Аминокислотная последовательность в белках определяет их простран­ственную структуру (конформацию). Каждый белок уникален по своей структурной организации, от которой зависят его биологические функции, что будет рассмотрено далее на примере отдельных белков.

В образовании пространственной структуры белков участвуют различ­ные типы химических связей. Основными химическими связями в белках являются ковалентные, дисульфидные связи (-S-S-), образующиеся меж­ду -SH-группами остатков цистеина, водородные, образующиеся за счет электростатических сил притяжения водорода и кислорода разных функ­циональных групп в белке, а также ионные связи, образующиеся между ионизированными карбоксильными (-СОО^-) и аминными (-NH₃) группами аминокислотных радикалов. Выделяют четыре структуры белковых моле­кул: первичную, вторичную, третичную и четвертичную (рис. 88).

Рис. 88 Четыре уровня структуры молекулы белка

Первичная структура белка — это определенная последовательность аминокислот в полипептидной цепи, а также их количественный и качес­твенный состав. Последовательность расположения аминокислот в отдель­ных белках генетически закреплена и обусловливает индивидуальную и ви­довую специфичность белка.

Расшифровка первичной структуры белка имеет большое практичес­кое значение, так как открывает возможность синтеза его в лаборатории. Благодаря расшифровке структуры гормона инсулина (Сенгер, 1954) и иммуноглобулина (Эдельман и Портер, 1972) эти белки получают синтети­чески и широко применяют в медицине. Изучение первичной структуры гемоглобина позволило выявить изменения его структуры у людей при от­дельных заболеваниях. В настоящее время расшифрована первичная структура более 1000 белков, в том числе ферментов рибонуклеазы, карбоксипептидазы, миоглобина, цитохромов и многих других.

Вторичная структура белка — это пространственная укладка поли­пептидной цепи. Выделяют три типа вторичной структуры: а-спираль, сло­исто-складчатая спираль (или ß-спираль) и коллагеновая спираль.

При образовании а-спирали полипептидная цепь спирализуется за счет водородных связей таким образом, что витки пептидной цепи периодичес­ки повторяются. При этом создается компактная и прочная структура поли­пептидной цепи белка. Спирализация полипептидной цепи белков открыта американскими учеными Л. Полингом и Р. Кори. а-Спираль характерна для белков кератинов, которые являются основой кожи, волос, ногтей.

Слоисто-складчатая структура белка представляет собой линейные полипептидные цепи, расположенные параллельно и прочно связанные во­дородными связями. Такая структура является основой для фибриллярных белков (миозина, ß-кератина волос и др.).

Коллагеновая спираль белка выделяется более сложной укладкой по­липептидных цепей. Отдельные цепи спирализованы и закручены одна вокруг другой, образуя суперспираль. Такая структура характерна для кол­лагена. Коллагеновая спираль имеет высокую упругость и прочность стальной нити.

Третичная структура белка — это пространственная укладка спирализованных и линейных участков полипептидной цепи в компактную струк­туру в виде глобулы (шарообразная или яйцевидная) или фибриллы (ните­образная). Третичная структура обеспечивает биологическую активность каждого белка. Нарушение этой структуры приводит к частичной или пол­ной потере его биологической функции.

Четвертичная структура белка представляет собой объединение нес­кольких одинаковых или разных полипептидных цепей (субъединиц) со сво­ей третичной структурой в сложную молекулу, проявляющую биологическую активность. Субъединицы соединяются между собой нековалентными свя­зями. Четвертичную структуру имеют многие ферменты (например, лактат­дегидрогеназа, пируватдегидрогеназа), а также гемоглобин. Белки с чет­вертичной структурой называются олигомерными, или мультимерными.

Все четыре уровня организации белковой молекулы взаимосвязаны и обеспечивают нативную (естественную) конформацию каждого белка. В проявлении биологической активности белков особое место занимает тре­тичная и четвертичная структуры, весьма чувствительные к изменению ус­ловий среды. Поскольку многие внутриклеточные ферменты имеют четвер­тичную структуру, то одним из механизмов регуляции их активности явля­ется изменение конформации белков.

Форма белковых молекул

В зависимости от третичной структуры белки могут иметь нитевидную (фибриллярную) и шарообразную (глобулярную) форму.

Фибриллярные белки являются структурным или сократительным ма­териалом организма. Например, коллаген входит в состав сухожилий, хря­щей, кожи и принимает участие в образовании скелета, а миозин являет­ся сократительным белком мышц. Эти белки не растворяются в воде.

Глобулярные белки способны легко передвигаться и проникать через стенки кровеносных капилляров. Они растворяются в воде и содержатся в жидких средах организма. Глобулярными являются белки иммунной систе­мы (антитела), сократительный белок мышц актин, все ферменты, а также гемоглобин, миоглобин и многие другие белки.

Глобулярные белки могут превращаться в фибриллярные. Такое изме­нение формы белка влияет на его свойства (растворимость, специфичес­кую функцию). Глобулярные белки при переходе в фибриллярные стано­вятся нерастворимыми и плохо перевариваются, а ферменты теряют ката­литическую функцию.