Попова Н.А., Юшкова А.А., Баймак Т.Ю. Основы молекулярной генетики. Часть 1

Подождите немного. Документ загружается.

При образовании молекул белков аминокислоты соединяются

друг с другом прочной ковалентной связью. В химическую реак-

цию вступают карбоксильная группа одной аминокислоты и ами-

ногруппа другой аминокислоты. Связь, образующаяся при этом,

носит название пептидной связи, а аминокислоты становятся

аминокислотными остатками. При соединении двух и более ами-

нокислот в цепочку образуется молекула пептида; пептиды, со-

стоящие из более чем 10 аминокислотных остатков называются

полипептидами.

Пептиды имеют очень важное биомедицинское значение. Мно-

гие гормоны человека являются пептидами; также к этой группе

относятся различные антибиотики и противоопухолевые препара-

ты. Многие природные токсины – яды змей, скорпионов, пчел –

также являются пептидами. Например, яд пчелы содержит пептид

апомин, состоящий из 18 аминокислотных остатков.

Все белки являются высокомолекулярными полипептидами.

Условную границу между крупными полипептидами и белками

обычно проводят в области молекулярной массы 10 000 (или при-

мерно 100 аминокислотных остатков). Средний по размеру белок

содержит около 500 аминокислотных остатков.

В любом живом организме содержатся тысячи белков, выпол-

няющих разнообразные функции. В организме животных белки

составляют около 20 % сырой массы или 80 % сухой массы клет-

ки. Простые белки содержат только аминокислоты (соединенные

пептидными связями), а сложные – еще и неаминокислотные

компоненты (например, ионы металлов и др.).

Белки играют центральную роль в процессах жизнедеятельно-

сти клеток и в формировании клеточных структур. Выполнение

белками их функций возможно только при определенной про-

странственной конфигурации молекул. Поэтому полипептидные

цепи подвергаются укладке, приобретая нужную пространствен-

ную структуру. Образование компактной структуры возможно

благодаря возникновению множества внутримолекулярных свя-

зей. Выделяют четыре уровня пространственной организации

белков. Под первичной (I) структурой белка (пептида) понима-

ют последовательность расположения аминокислотных остатков

в белке (или пептиде). Именно первичная структура молекулы

определяет свойства белка и его дальнейшую пространственную

конфигурацию.

Замена всего лишь одной аминокислоты на другую в полипеп-

тидной цепочке может привести к изменению свойств и функции

белка. Классический пример – заболевание, называющееся сер-

повидноклеточная анемия. Заболевание развивается если у содер-

жащегося в клетках крови и отвечающего за перенос кислорода и

углекислого газа белка гемоглобина одна аминокислота (глутами-

новая кислота) заменена на другую (валин). Измененная первич-

ная структура приводит к значительным нарушениям в дальней-

шей укладке полипептидной цепи и, как следствие, белок плохо

справляется со своей функцией, а клетки даже изменяют форму.

В длинной полипептидной цепи возможно свободное вращение

атомов вокруг ряда связей, что делает остов белковой молекулы

очень гибким. Поэтому любая белковая молекула не находится «в

растянутом» состоянии, а моментально принимает более компакт-

ную форму – вторичную (II) структуру, наиболее устойчивую в

водной среде. Её формирование происходит благодаря образова-

нию множества внутримолекулярных водородных связей.

В первую очередь они возникают между близкорасположенны-

ми аминокислотными остатками (между атомами атомом водорода

из аминогруппы и атомом кислорода из карбонильной группы). В

этом случае формируется наиболее распространенная вторичная

структура – α-спираль. Типичный белок, образующий α-спираль –

кератин. На один виток его спирали приходится примерно четыре

аминокислотных остатка, шаг спирали составляет 0,54 нм. Боко-

вые цепи аминокислотных остатков располагаются на наружной

стороне спирали. На рисунке 2 изображен схематический вид

α-спирали сверху.

Некоторые белки образуют не спиральную, а складчатую вто-

ричную структуру. В складчатом слое полипептидные цепи почти

полностью вытянуты, а водородные связи формируются между

аминогруппами и карбоксильными группами далеко отстоящих

друг от друга аминокислотных остатков. В формировании склад-

чатых структур может участвовать от двух до пяти соседних по-

липептидных цепей.

Довольно часто бывает так, что одни участки белковой моле-

кулы принимают форму спирали, другие – складчатую структуру

(рис.3). Кроме того, могут встречаться и участки с нерегулярной

Рис. 2. Схематическое изображение спиральной струк-

туры белка (вид сверху).

Незакрашенные кружки – остов спирали; радикалы амино-

кислотных остатков выступают из спирали, они изображе-

ны закрашенными кружками (масштаб не соблюден).

структурой, порой довольно значительные. С точки зрения био-

логической функции неупорядоченные участки столь же важны,

как и упорядоченные.

Третичной (III) структурой называется приобретаемая по-

липептидной цепью конфигурация в результате её свертывания в

пространстве. Формирование третичной структуры обусловлено

возникновением химических связей между различными участка-

ми полипептидной цепи, обычно далеко отстоящими друг от дру-

га в первичной структуре.

Одним из важнейших факторов, определяющих свертывание

полипептидной цепи в третичную структуру, является взаимо-

действие боковых радикалов аминокислот. Гидрофобные стре-

мятся «уйти» от окружающей их воды, а гидрофильные, наобо-

рот, стремятся в водную среду. Такие гидрофобно-гидрофильные

взаимодействия являются одними из основных сил, определяю-

щих третичную структуру белковой молекулы. Иногда третичная

структура «укрепляется» дополнительными ковалентными связя-

ми между радикалами аминокислот. Ковалентные связи наиболее

Рис. 3. Белковая молекула, имеющая участки со спи-

ральной, складчатой и нерегулярной структурой.

часто возникают между радикалами аминокислот, содержащих

серу. Кроме того, в молекуле формируются водородные и/или

электростатические связи между радикалами аминокислотных

остатков.

Иногда при формировании третичной структуры возмож-

на утрата части полипептидной цепочки. Например, первичная

структура белка инсулина – одна полипептидная цепь из 109 ами-

нокислотных остатков. К моменту образования третичной струк-

туры из молекулы вырезается большой кусок и остаются только

два участка из первоначальной цепи, длиной в 21 и 30 аминокис-

лотных остатков, удерживаемые друг около друга прочными ди-

сульфидными связями.

Общий результат всех индивидуальных взаимодействий ами-

нокислот состоит в том, что молекула белка принимает характер-

ную для нее третичную структуру (а изначально все это определя-

ется первичной структурой белка.)

Многие белки выполняют свои функции в форме третичной

структуры. Но ряд белков представляет собой объединение не-

скольких одинаковых или разных полипептидных цепей, свя-

занных между собой нековалентными связями. Про такие белки

говорят, что они обладают четвертичной (IV) структурой. От-

дельные полипептидные цепи в таких белках называют субъеди-

ницами. Они удерживаются друг около друга нековалентными

связями, аналогичными тем, что поддерживают третичную струк-

туру. Примером такого сложного комплекса может служить моле-

кула гемоглобина: его четвертичная структура представляет собой

устойчивое образование из четырех субъединиц (2α × 2β).

Иногда в состав четвертичной структуры включаются небел-

ковые компоненты: молекулы углеводной или липидной природы,

ионы металлов. Так, гемоглобин содержит ион железа (Fe

), гор-

мон инсулин – ион цинка (Zn

Молекулы белка не всегда могут укладываться в спирали, слои

и клубки самостоятельно. Тогда им помогают специальные бел-

ковые молекулы, которые называются шапероны. Этот процесс

происходит в эндоплазматической сети – внутриклеточной систе-

ме мембран и канальцев. Шапероны как бы окружают вновь син-

тезированную молекулу белка, сжимая её то сильнее, то слабее,

способствуя упаковке. Ошибки в укладке молекулы белка очень

опасны для организма, так как могут привести к образованию

прионов, особых инфекционных агентов белковой природы.

Прионы – это белки, отличающиеся от нормальных белков

только третичной структурой. Первичная структура у них может

быть одинакова. Например, прионный белок, вызывающий ко-

ровье бешенство, отличается от нормального тем, что имеет два

спиральных участка вместо четырех, т.е.только третичной струк-

турой. Найдены мутации, приводящие к прионизации белков.

При взаимодействии прионного белка с нормальным структура

последнего тоже искажается и становится прионной. Таким об-

Рис. 4. Схематическое изображение прионного белка,

вызывающего коровье бешенство (1) и нормальной бел-

ковой молекулы (2).

1 2

разом, происходит «заражение» всех белков в клетке, в соседних

клетках и далее.

Прионы обладают повышенной способностью вступать в реак-

ции между собой и с другими белками. В результате растворимые

белки переходят в нерастворимое состояние и клетка перестает

нормально работать. Прионы очень устойчивы. Эти белки вы-

держивают кипячение в течение двух часов, не утрачивают своих

свойств и при попадании в органы пищеварения, тогда как обыч-

ные белки утрачивают свою структуру после таких воздействий.

Феномен прионизации белков лежит в основе таких нейродегене-

ративных заболеваний как скрепи овец, коровье бешенство, бо-

лезнь Крейцфельда-Якоба и фатальная семейная бессонница че-

ловека.

Утрата белковой молекулой своей структуры называется де-

натурацией. Связи, поддерживающие пространственную (вто-

ричную, третичную) структуру многих белков, достаточно легко

разрушаются. Это приводит к потере белком биологической ак-

тивности. Денатурация может происходить по разным причинам.

Большинство белков утрачивают свою структуру при нагревании,

обработке кислотами или щелочами, интенсивном ультрафиоле-

товом облучении и так далее. Примерами денатурации являются:

свертывание белка куриного яйца при варке яиц или молочных

белков – при скисании молока; процессы, происходящие при ду-

блении кожи.

Денатурация обратима до тех пор, пока не произошло наруше-

ние первичной структуры белка. Как только условия среды вос-

становятся, молекула вернется к прежнему состоянию. Но раз-

рушение пептидных связей (нарушение первичной структуры)

приводит к необратимой денатурации. Примером последней как

раз является свертывание белка куриного яйца при варке

Белки исключительно многообразны. Эта группа молекул за-

нимает неоспоримое первенство, как по разнообразию структу-

ры, так и по выполняемым функциям. Классифицировать белки

можно по различным принципам, мы остановимся на некоторых

из них.

По растворимости белки делят на растворимые в воде (напри-

мер, белки крови: гемоглобин, альбумин) и нерастворимые в воде

(белки покровных и соединительных тканей: кератин, коллаген).

По форме молекулы белки делят на фибриллярные и глобуляр-

ные. Если рассмотреть соотношение продольных и поперечных

осей в молекуле белка, то в том случае, когда оно больше 10, белки

относятся к фибриллярным («нитевидным») белкам. Вторичной

структурой фибриллярных белков обычно служит спираль, как,

например, у кератина или коллагена. Но есть и исключения. На-

пример, вторичная структура фиброина шелка – складчатая. Бла-

годаря этому шелковые нити очень гибкие, а материал гладок на

ощупь.

Если в молекуле соотношение продольной оси к поперечной

меньше 10, то такие белки относятся к глобулярным («сфериче-

ским») – например: гемоглобин, инсулин. Роль каркаса в глобу-

лярных белках часто играет складчатая структура. Глобулярные

белки как правило растворимы в воде.

По составу белки подразделяют на простые и сложные. Про-

стые белки состоят только из аминокислот (например, альбумин),

а сложные наряду с полипептидными цепями содержат и компо-

ненты небелковой природы (например, гемоглобин, содержащий

в своем составе гем – комплексное соединение двухвалентного

железа с порфирином ).

Классификация белков по функциям – одна из основных клас-

сификаций белков. Остановимся на ней подробнее.

Структурные белки участвуют в формировании всех клеточ-

ных компонентов (мембраны, внутриклеточный скелет и т.д.), а

так же придают механическую прочность внеклеточным структу-

рам.

В организме млекопитающих преобладающим структурным

белком является коллаген: он составляет 25 % общего белка. Пре-

жде всего, этот белок присутствует в соединительной ткани. Мо-

лекула коллагена представляет собой нить, построенную из трех

спиральных полипептидных цепей. Длина одной молекулы колла-

гена – около 300 нм (300×10

-9

м).

Другой распространенный структурный белок, кератин, яв-

ляется компонентом внутриклеточного скелета, так же из него

построены волосы (шерсть), перья, иглы, когти, рога и копыта

животных. В кератине большая часть полипептидной цепи свер-

нута в спираль, две цепи объединяются в одну двойную. Даль-

нейшее объединение двойных спиралей приводит к формирова-

нию микрофибрилл диаметром 10 нм. Отдельные цепи кератина

скреплены поперечными ковалентными связями, что придает им

дополнительную прочность. Микрофибриллы собираются в ма-

крофибриллы, а сочетание макрофибрилл дает основу волоса.

Эластичность шерсти и волос – результат способности такой вы-

сокоспирализованной структуры раскручиваться.

Белок шелка, фиброин, содержит аминокислотные остатки с

минимальными по размеру радикалами (глицин, аланин, серин).

Вторичная структура фиброина складчатая, полипептидные цепи

почти полностью растянуты, поэтому шелк менее эластичен, чем

шерсть, но очень гибок.

И шерсть, и шелк давно используются человеком. Интересное

применение может получить еще один белковый продукт: паути-

на. Паутинная нить не только очень прочная на разрыв, но и эла-

стичная. Эти качества подходят для создания специальных тканей,

из которых можно производить парашюты, бронежилеты и т.п.

Но требуемое количество паутины не поставит ни одна «паучья

ферма», требуется искусственное производство белка паутинной

нити с помощью микроорганизмов. Аналог шелковидной паутины

– материал под названием кевлар – появился благодаря совмест-

ной работе биологов-генетиков и инженеров, специалистов по ма-

териалам.

Белки выполняют роль катализаторов (ферментов). Катали-

заторы – это вещества, ускоряющие протекание химических ре-

акций; они могут претерпевать физические изменения в ходе ре-

акции, но по её завершении возвращаются в исходное состояние.

Ферментами называют катализаторы белковой природы. Большая

часть биохимических реакций в отсутствии ферментов протека-

ла бы крайне медленно. Каждый фермент специфичен – спосо-

бен катализировать только одну биохимическую реакцию (только

очень редко несколько). Около четверти всех известных фермен-

тов содержат ионы металлов, чаще всего это ионы магния (Mg

марганца (Mn

) и кальция (Ca

). Иногда ферментам для работы

требуются низкомолекулярные органические соединения – ко-

ферменты. Активность ферментов зависит от таких факторов, как

концентрация фермента и субстрата, температура, кислотность

среды. Практически все биохимические реакции катализируются

ферментами.

Примерами белков-ферментов могут служить разнообразные

пищеварительные ферменты желудочного и кишечного соков.

Другой пример – один из самых распространенных и быстродей-

ствующих ферментов – каталаза. Этот белок присутствует во всех

живых клетках и осуществляет реакцию разложения перекиси

водорода (Н

) до молекул воды и кислорода со скоростью до