Химия и биология белков - Ф. Гауровитц 1953
Внутренняя структура глобулярных белков
Общие данные
Размеры молекул глобулярных белков свидетельствуют о том, что длина их пептидных цепей сравнительно невелика. Несмотря на то, что эти белки содержат очень большое число аминокислот, их пептидные цепи включают только 10—20 аминокислотных остатков. Молекула гемоглобина, вес которой равен 68 000, приближается по своей форме к цилиндру высотой 33,5 Å и диаметром 57 Å [2]. Известно, что длина одного аминокислотного остатка в развернутой цепи равна приблизительно 3,4 Å и, следовательно, длина молекулы гемоглобина соответствует длине цепи, содержащей 10—17 аминокислотных остатков. Однако молекулярный вес аминокислот, из которых состоит гемоглобин, равен в среднем 130, и поэтому в каждую молекулу гемоглобина должно входить 520—530 аминокислот. Если бы эти аминокислоты образовывали одну длинную, выпрямленную полипептидную цепь, то длина последней должна была бы равняться 1780 Å. На основании этих данных можно заключить, что пептидные цепи, образующие молекулу гемоглобина, свернуты или сложены в складки.
Ясно выраженная видовая специфичность белков заставляет предположить, что эта складчатость сообщает молекуле каждого отдельного белка свою определенную форму. Поскольку видовая специфичность белков не исчезает при их растворении или при последующем высаливании их из раствора, необходимо принять, что эта высокоспецифическая внутренняя структура не меняется при указанных воздействиях.
Моноаминомонокарбоновые кислоты могут образовывать только прямые пептидные цепи, цистеин же с его двумя аминными и двумя карбоксильными группами может соединять две параллельные пептидные цепи и таким образом обусловливать их разветвление. Разветвленные пептидные цепи могут образовывать также аминокислоты, имеющие функционально активную боковую цепь. К числу этих аминокислот принадлежат моноаминодикарбоновые кислоты, диаминомонокарбоновые кислоты и оксиаминокислоты. Наличие нескольких разветвлений в пептидных цепях может повести к образованию кольцевых структур внутри большой молекулы белка (фиг, 26). Более подробно этот вопрос будет рассмотрен в следующем разделе данной главы.
Получение дальнейших сведений в указанном направлении затрудняется не только тем, что молекулы белков очень велики и имеют сложную структуру, но также и тем, что они очень нестойки. В связи с этим только небольшое число методов химического анализа может быть применено для исследования структуры белков. Лабильность белков связана с тем, что силы, обусловливающие сцепление прилегающих друг к другу пептидных цепей и внутреннюю структуру молекулы в целом, очень слабы. В настоящее время не приходится сомневаться в том, что разветвление цепей и образование кольцевых структур (если они вообще возникают) происходит только в некоторых точках макромолекулы белка. Об этом свидетельствует стремление глобулярных белков образовывать мономолекулярные пленки на поверхностях. Образование подобных мономолекулярных пленок было бы невозможно, если бы молекулы белков представляли собой трехмерные решетки, подобные решеткам синтетического каучука. Легкость, с которой белки образуют мономолекулярные пленки на поверхности воды, представляет убедительное доказательство того, что их молекула либо состоит из длинной одномерной пептидной цепи, либо представляет собой двумерную сетку, образованную пептидными цепями. Указанные мономолекулярные пленки могут быть образованы только молекулами, в которых сложенные в складки пептидные цепи дают определенный рисунок, поэтому по легкости их образования можно судить о степени усложненности внутренней структуры молекулы [3].
Структуры, образованные разветвлениями, кольцами и другими связями, кроме пептидных, могут составлять только небольшую часть белковой молекулы. Большую часть этой молекулы, без всякого сомнения, составляют структуры, образованные длинными пептидными цепями. Такое представление о строении белковой молекулы находится в согласии с представлениями Э. Фишера и Гофмейстера — пионеров в области химии белка1. С другой стороны, однако, бесспорным фактом является то, что свойства длинных цепей могут радикально меняться, если между ними образуется даже небольшое число мостиков. Так, например, вулканизированная резина, в связи с образованием немногих серных мостиков между цепями углеводородов, становится нерастворимой в бензине, в то время как природный каучук хорошо в нем растворяется. Из сказанного ясно, что кольцевые структуры или разветвления могут оказывать большое влияние на все свойства белков даже в том случае, если их число в молекуле очень невелико.
Фиг. 26. Разветвление пептидных цепей и образование кольцевых структур.
1 В своей работе «Биолого-химические сообщения о белковых веществах (материалы для химической конституции и биогенеза их)», опубликованной в 1888 г. в «Физиологическом сборнике» (т. I, 289, 1888), и в других работах («Физиологический сборник», т. 2, 281, 291, 1891) А. Я. Данилевский, задолго до Гофмейстера и Э. Фишера, высказал положение о наличии в белках пептидной связи. Исходя из данных, полученных им при изучении биуретовой реакции, А. Я. Данилевский пришел к выводу, что во всех белках существуют одинаковые атомные группировки и что «самый тип соединения групп в разных белковых веществах одинаков». Этот тип был охарактеризован А. Я. Данилевским следующей схемой:
в которой У, Б, К обозначают различные группировки. Как видно из этой схемы, именно А. Я. Данилевский впервые подчеркнул, что характерным типом связи в белковой молекуле является связь —NH—СО—. Только 14 лет спустя, в 1902 г., Гофмейстер развил указанные представления А. Я. Данилевского. — Прим. ред.