Основы биохимии Том 1 - А. Ленинджер 1985
Биомолекулы
Белки: ковалентная структура и биологические функции
Белки, или протеины (что в переводе с греческого означает «первые» или «важнейшие»), количественно преобладают над всеми другими макромолекулами, присутствующими в живой клетке, и составляют более половины сухого веса большинства организмов. В предыдущей главе мы рассматривали аминокислоты - структурные элементы белков - и простые пептиды, состоящие из небольшого числа аминокислотных остатков, соединенных друг с другом пептидными связями. Теперь мы займемся структурой белков, молекулы которых представляют собой очень длинные полипептидные цепи, построенные из многих аминокислотных звеньев.
Белки служат теми инструментами, посредством которых генетическая информация получает свое реальное воплощение. В соответствии с тем что в клеточном ядре содержатся тысячи генов, каждый из которых определяет какой-то один характерный признак живого организма, в клетке существуют тысячи разновидностей белков и каждый из них выполняет специфическую функцию, определяемую соответствующим геном. Таким образом, белки-это не только наиболее многочисленные, но и исключительно разнообразные по своим функциям макромолекулы.
Особенно поразительно то, что все белки во всех организмах, независимо от их функции или биологической активности, построены из одного и того же основного набора 20 стандартных аминокислот, каждая из которых, взятая в отдельности, не обладает никакой биологической активностью. Что же тогда придает одному белку ферментативную активность, другому -гормональную, а третьему - свойства антитела? Как белки различаются химически? Ответ довольно прост: белки отличаются друг от друга тем, что каждый имеет свою, характерную для него одного последовательность аминокислотных звеньев. Аминокислоты - это алфавит белковой структуры; соединив их в различном порядке, можно получить почти бесконечное число последовательностей и, значит, почти бесконечное множество разнообразных белков (см. дополнение 6-1).
Дополнение 6-1. Сколько может существовать аминокислотных последовательностей?
У каждого вида организмов имеются тысячи различных белков, а число самих видов, вероятно, составляет около 10 миллионов. Можно ли всего из 20 аминокислот построить, скажем, 1011 (или более) различных последовательностей?
Ответ дает чисто математический расчет. Дипептид, состоящий из двух разных аминокислот, в зависимости от порядка их расположения может иметь две изомерные формы. Трипептид, состоящий из трех различных аминокислот-А, В и С-может существовать в шести различающихся по последовательности вариантах: АВС, АСВ, ВАС, ВСА, САВ и СВА. Общее выражение, позволяющее рассчитать число возможных последовательностей для выстроенных в ряд различных предметов, записывается как n! (читается «эн факториал»), где п число предметов. Тетрапептид из четырех разных аминокислот может иметь 4! = 4 ∙ 3 ∙ 2 ∙ 1 = 24 различные последовательности. Для полипептида из 20 различных аминокислот, ни одна из которых не повторяется в нем дважды, число последовательностей составит 20! = 20∙19∙18..., что даст в результате громадную цифру, равную примерно 2∙1018. Но это ведь очень короткий полипептид, состоящий всего из 20 остатков и имеющий молекулярную массу около 2600. Если же взять белок с молекулярной массой 34 000, в котором 12 различных аминокислот представлены в равных соотношениях, то получится 10300 возможных последовательностей. Если теперь допустить, что этот белок построен из 20 различных аминокислот, представленных в равных соотношениях, то число возможных последовательностей будет еще намного больше. Если бы существовало только по одной молекуле каждого из этих возможных изомеров такого белка, то общий вес всех этих молекул значительно превысил бы вес Земли!
Таким образом, двадцать аминокислот могут дать достаточное число последовательностей, чтобы их хватило не только для тысяч белков, присутствующих у каждого из ныне существующих видов организмов, но и для белков всех тех видов, которые когда-либо существовали в прошлом и появятся в будущем. Живущие сейчас на Земле виды составляют, по имеющимся оценкам, примерно одну тысячную всех видов, существовавших ранее на нашей планете. Молекулярная логика аминокислот и белков в достаточной степени предусматривает возможность возникновения новых видов, обусловленную дивергентной природой биологической эволюции.
В этой главе мы рассмотрим первичную структуру белковых молекул, под которой мы подразумеваем ковалентную структуру остова молекулы и последовательность аминокислотных остатков. Мы обсудим также некоторые соотношения между аминокислотной последовательностью и биологической функцией.