Молекулярная биология: Структура и функции белков - Степанов В.М. 2005

Первичная структура белка
Первичная структура как уровень организации белка

К белкам относят полипептиды, способные самопроизвольно формировать и удерживать определенную пространственную структуру. Нельзя указать такой порог, границу, которые резко отделяли бы белки от пептидов. Действительно, известная способность к образованию предпочтительных конформаций в растворах замечается уже у сравнительно коротких пептидов, более того, эта способность существенна. для функции некоторых пептидов (например, гормонов), облегчая их взаимодействие с клеточными рецепторами. И все же это только прообраз четкого соотношения между последовательностью аминокислот и пространственной структурой, которое составляет важнейшую отличительную особенность белка.

Стабилизация пространственной структуры требует хорошо развитой системы нековалентных взаимодействий, что может быть достигнуто лишь начиная с некоторой длины полипептидной цепи. Известны белки, полипептидная цепь которых содержит всего лишь около пятидесяти аминокислотных остатков. К ним относятся, например, панкреатический ингибитор трипсина, фактор роста эпителия, некоторые белки оболочек бактериофагов. Однако такие случаи относительно редки и белки чаще всего содержат 100-400 аминокислотных остатков в одной полипептидной цепи, образующей глобулярную структуру.

Впрочем, длина полипептидной цепи может быть и гораздо большей, достигая тысячи остатков и более. Известны и так называемые полибелки. Они представляют собой еще более длинную полипептидную цепь, формирующую последовательно несколько вполне автономных как в структурном, так и в функциональном отношении глобул, которые после разрезания полибелка по местам «перетяжек» протеиназами существуют как независимые друг от друга ферменты. Видимо, сам по себе механизм биосинтеза не накладывает существенных ограничений на длину полипептидной цепи белка.

Следует подчеркнуть, что переход от пептида к пространственно структурированной, компактной белковой глобуле определяется не механическим удлинением полипептидной цепи, а специфической последовательностью аминокислотных остатков. Иными словами, вовсе не обязательно случайно построенная полипептидная цепь самопроизвольно образует компактную пространственную структуру. Весьма вероятно, что способность к самосборке свойственна ограниченному кругу последовательностей, среди которых и те, что соответствуют природным белкам и отобраны в ходе эволюции. Во всяком случае, известны последовательности аминокислот, не свертывающиеся в компактную структуру.

Столь большое значение, которое придают самосборке пространственной структуры как отличительному признаку белка, объясняется тем, что именно она служит основой всех свойств белка, прежде всего его биологической функции. Физические характеристики белка как полимера полностью определяются его способностью формировать компактную глобулу, от особенностей которой зависит и олигомеризация многих белков. Химические и функциональные свойства белков зависят от специфических взаимодействий функциональных групп, сближенных в его пространственной структуре. Вследствие этого поведение этих групп в белках коренным образом отличается от их реакционной способности в аминокислотах и небольших пептидах. Соответственно белок может функционировать, т е. выступать в качестве фермента, структурного или транспортного белка, регулятора, токсина, ингибитора только потому, что он обладает вполне определенным пространственным строением.

Еще на заре современной химии белка датский биохимик К. Линдерштрем-Ланг предложил рассматривать четыре уровня организации белковой мелекулы: первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуры. Эта классификация закрепилась в литературе, поскольку в ней отразились реальные ступени формирования пространственного строения белковых молекул.

Первичной структурой называют последовательность аминокислотных остатков в молекуле белка. Она кодируется структурным геном данного белка и содержит в себе все необходимое для самоорганизации его пространственной структуры. Последовательность аминокислот образуется в результате трансляции мРНК. Однако первичная структура зрелой белковой молекулы далеко не всегда полностью совпадает с непосредственным продуктом трансляции, который, как правило, подвергается более или менее существенной ко- и посттрансляционной модификации, процессингу, причем могут изменяться аминокислотные остатки, длина полипептидной цепи и т.п. (см. гл. 11).

Для определения первичной структуры белка все чаще прибегают к анализу последовательности нуклеотидов в соответствующем структурном гене или кДНК, что требует гораздо меньшего времени и дает в целом более точные результаты. Однако такой путь не всегда практичен, так как при этом необходимо выделение и клонирование гена. Кроме того, он не позволяет обнаружить посттрансляционные модификации, без выявления которых исследование структуры белка нельзя считать завершенным. Ввиду этого методы определения первичной структуры, основанные на анализе самого белка, сохраняют свое значение и продолжают совершенствоваться. Помимо полного анализа первичной структуры те же методы применяют (обычно в неполном объеме) для первичной характеристики вновь выделяемых белков, сравнения белков между собой, анализа их функционально важных фрагментов, локализации групп, подвергшихся химическому модифицированию, и т.п.

Число установленных первичных структур быстро нарастает — еще в 1965 г. их счет шел на единицы, в 1975 г. было известно около 600, в 1984 г. — 2500 последовательностей, содержащих около 0,5 млн аминокислотных остатков, к концу 1989 г. эти цифры возросли соответственно до 14 400 и 4 млн.