Биохимия и молекулярная биология - Белясова Н.А. 2002

Структура и функции клеточных компонентов
Белки. Особенности организации и функции ферментов

Белки представляют собой один из основных классов клеточных макро­молекул, составляя, например, в микробной клетке до 50% сухого вещества. Этим удивительным по разнообразию полимерам присущи одни из наиболее важных и разносторонних клеточных функций.

Мономерными единицами белков служат аминокислоты. Природные аминокислоты являются 2-аминокарбоновыми кислотами, или a-аминокислотами. В их молекулах при атоме С-2 (С_а) имеются 4 различных заместителя (рис. 6.1). Таким образом, все a-аминокислоты, кроме глицина, имеют асимметрический (хиральный) a-углеродный атом (рис. 6.1) и сущест­вуют в виде двух энантиомеров — L- и D-аминокислот. В большинстве при­родных пептидов содержатся L-аминокислоты.

Аминокислоты различаются структурой боковых цепей и степенью их по­лярности. На рис. 6.2 изображено строение боковых групп 20-ти протеино­генных (положение которых в полипептидах кодируется генетическим ко­дом) аминокислот. Из них выраженными неполярными (гидрофобными) свойствами характеризуются боковые группы аланина, валина, лейцина, изо­лейцина, метионина, цистеина, фенилаланина. Заряженные боковые цепи содержатся в составе кислых аминокислот (аспарагиновой, глутминовой) и основных аминокислот (лизина, аргинина, гистидина).

Рис. 6.1. Особенности строения L-аминокислот

Рис. 6.2. Строение боковых цепей протеиногенных аминокислот

a-Аминокислоты в водных растворах при нейтральных рН существуют пре­имущественно в виде диполярных ионов (цвиттер-ионов), у которых аминогруппы протонированы, а карбоксильные группы диссоциированы (рис. 6.1).

Остатки аминокислот в пептидах соединяются друг с другом пептидной (карбоксамидной) связью, в формировании которой принимают участие a- карбоксильная группа одной и a-аминогруппа другой аминокислоты. В ходе этой реакции выделяется вода (рис.6.3).

Первичная структура белков характеризует их аминокислотную после­довательность, которая определяет другие уровни организации этих полиме­ров — вторичную, третичную и четвертичную структуру. Под вторичной структурой обычно подразумевают структуру участков полипептидной цепи с упорядоченной конформацией, стабилизированной водородными связями между СО- и NH-группами. Подобные участки называют элементами вто­ричной структуры и различают несколько их типов: правую a-спираль (наиболее распространенный элемент), левую a-спираль, антипараллельный и параллельный ß-складчатый лист, ß-петлю. В фибриллярных белках, кото­рые обычно выполняют структурную функцию, регулярные вторичные струк­туры распространяются на достаточно протяженные фрагменты молекулы и представлены чаще каким-либо одним типом. К тому же для этих белков ха­рактерно формирование ансамблей взаимодействующих между собой вто­ричных структур, что обусловливает особую прочность формируемых воло­кон. Например, коллаген — белок соединительной и костной тканей, сухо­жилий, хрящей — представляет собой правую тройную спираль, скрученную из трех первичных левых спиралей.

В глобулярных белках (растворимые, с формой, близкой к сферической), которые выполняют в клетках специфические функции, в том числе обладают каталитической активностью, обычно присутствуют одновременно и a-спирали, и ß-складчатые листы. Кроме этого имеются участки с неупорядо­ченной структурой. В молекуле инсулина (см. разд. 21.3), например, на долю участков, представленных a-спиралью, приходится 57%, ß-складчатой струк­турой — 6%, ß-петлей — 10%. Остальная часть молекулы (27%) не имеет упорядоченной структуры.

Под третичной структурой понимают расположение в пространстве атомов и формируемых ими элементов вторичной структуры полипептида, иными словами, трехмерную функционально активную конформацию бел­ка. Каждый белок характеризуется своей уникальной пространственной структурой. Стабилизация конформации белковых молекул обеспечивается водородными связями, дисульфидными мостиками, электростатическим взаимодействием, комплексообразованием с ионами металлов, гидрофобны­ми эффектами.

Многие белковые молекулы образуют симметрично построенные ком­плексы, стабилизированные за счет нековалентных взаимодействий. Взаим­ное расположение составных единиц комплексов (субъединиц) определяет четвертичную структуру белка.

Обычно в белковых молекулах насчитывается несколько десятков амино­кислотных остатков, однако встречаются полипептиды, содержащие сотни и даже тысячи мономерных звеньев. При этом число типов мономерных еди­ниц (различающихся своей боковой цепью аминокислот) в большинстве при­родных белков составляет 20. Поистине огромная вариабельность структуры разных белков определяется последовательностью аминокислот, число раз­личных вариантов которой описывается величиной 20n, где n — количество аминокислотных остатков в белке. Последовательность аминокислот в поли­пептиде определена генетически. Белковая молекула может состоять из одной или нескольких полипептидных цепей.

Кроме простых белков, в состав которых входят только аминокислоты, существуют сложные белки, которые могут содержать ионы металлов (ме­таллопротеины), молекулы пигментов (хромопротеины), образовывать комплексы с другими молекулами (липопротеины, нуклеопротеины, гли­копротеины), ковалентно связывать неорганический фосфат (фосфопротеины).

Химические свойства белков обусловлены набором и соотношением ами­нокислот с гидрофильными и гидрофобными боковыми группами. К биоло­гическим свойствам белков относятся, в первую очередь, каталитическая (ферментативная), транспортная (транспортировка веществ в организме и перенос их через биомембраны), структурная (в составе хромосом, цитоске­лета, соединительных, мышечных, опорных тканей), регуляторная (способ­ность регулировать скорость химических реакций в клетке и уровень мета­болизма в целом организме) и рецепторная функции. Кроме этого, белкам присущи защитные, запасные, токсические, сократительные и некоторые дру­гие функции. Большинство перечисленных биологических свойств белков уже охарактеризованы в предыдущих главах. Здесь внимание будет уделено био­каталитической активности белковых молекул.