Шендрик А.Н. Химия белка. Структура, свойства, методы исследования

Подождите немного. Документ загружается.

122

ка в 16-членном цикле). Если расположить α-спираль N-концом вверх, то все

С=О группы будут направлены вниз, а NH - вверх.

Другая характерная особенность α-спирали следует непосредственно из

комбинации значений углов ϕ и ψ: шаг спирали (один полный виток) 5.4Å со-

ставляют 3.6 аминокислотных остатка на виток. Угол поворота цепи на один

аминокислотный остаток составляет: 360

/3.6 = 100

. Диаметр спирали (без уче-

та боковых групп) равен 6Å. Для L-aминокислот правовращающая спираль вы-

годно отличается от левовращающей, тем что R-группы аминокислот направ-

лены наружу от центральной оси, что резко уменьшает стерические напряже-

ния. Кроме того, за счет повернутых вовне R-остатков обеспечивается гидро-

вильность или гидрофобность пептидной -цепи.

Содержание α-спиралей в глобулярных белках сильно варьирует: от пол-

ного отсутствия (нейротоксин змей, например) до 80-90%. Миоглобин и гемо-

глобин содержат 75% спиралевидных участков, альбумин сыворотки - 50%, ри-

бонуклеаза - 17%, химотрипсин - 8%.

Белок не может иметь в цепи 100% α-спиралей и сохранять глобуляр-

ность. Он в этом случае будет фибриллярным. Более того, если имеется α-

спираль, она находится, как правило, в одном, двух или нескольких отдельных

участках цепи. Спиральная структура нарушается многими факторами. Напри-

мер, наличием остатка пролина, циклическая структура которого вносит излом

в пептидную цепь; наличием локального электростатического отталкивания,

обусловленного кластером положительно заряженных R-групп лизина и арги-

нина, либо кластером отрицательно заряженных R-групп глутаминовой и аспа-

рагиновой кислот и др. причинами. Неспиральная часть пептидной цепи может

иметь структуру складчатого листа либо статистического клубка.

Помимо α-спирали, известны и другие виды спиралей. Они различаются

между собой числом аминокислотных остатков на виток. Например, 3

спираль содержит три остатка в 10-членном цикле, 4.3

- или π-спираль (4.3

123

аминокислотных остатка в 16-членном цикле. 3

- Спираль и π-спираль в ре-

альных белках встречаются крайне редко и только в очень коротких участках

пептидной цепи (например, в миоглобине и лизоциме). Левые 3

- и π-спирали в

природных белках пока не обнаружены.

2.2.2.2 Структура складчатого листа

Структура типа складчатого листа также стабилизирована кооператив-

ными водородными связями между теми же диполями. Совершенно новая

структура образуется в этом случае за счет межмолекулярных водородных свя-

зей между двумя или большим числом цепей (в фибриллярных белках) или

внутримолекулярных водородных связей между различными участками одной

цепи (в глобулярных белках). Полинг и Кори постулировали «плоские» парал-

лельный и антипараллельный β-складчатые листы.

В параллельном складчатом листе обе пептидные цепи или два разных участка

одной и той же пептидной цепи имеют в пространстве одно направление, т.е.

параллельны. В антипараллельном складчатом листе цепи направлены в про-

тивоположные стороны, т.е антипараллельны. В природных белках и пептидах

встречаются обе структуру, но антипараллельная является более стабильной,

поэтому и более распространенной. В ней диполи С=О и N-Н расположены па-

раллельно или соосно.

к N-концу

к С-концу

к N-концу

Антипараллельный складчатый лист

Все атомы на

одной стороне

листа копланарны

124

Фрагменты параллельной и антипараллельной структур типа складчатого

листа приведены на рисунках.

к С-концу

к N-концу

к С-концу

к N-концу

Па

аллельный складчатый лист

Расположение R-групп в складчатых листах следующее. Если смотреть

вдоль полипептидного остова, то R-группы находятся то над плоскостью, то за

плоскостью листа. Складчатые структуры встречаются довольно часто. Наибо-

лее характерный пример - β-фиброин шелка, который имеет структуру антипа-

раллельного складчатого листа. Участки молекулы фиброина имеют повто-

ряющийся структурный фрагмент: Гли-Ала-Гли-Сер-Гли-Ала. При образовании

β-антипараллельной структуры R-группы Ала и Сер располагаются по одну

сторону, а Гли - по другую (получается как бы ворс с одной стороны). Посколь-

ку слои связаны между собой только невалентными взаимодействиями, шелк

очень эластичен.

Большинство складчатых листов не являются плоскими. Они характери-

зуются левой закруткой, если смотреть вдоль плоскости листа перпендикуляр-

но его вытянутым цепям. Фактически можно сказать, что лист - это очень рас-

тянутая левая спираль.

125

Длинна скрученного листа неограниченна. β-Фиброин шелка содержит

очень длинные скрученные ленты складчатого листа.

α-Спираль и β-структура представлены в белках отдельными иногда дос-

таточно короткими отрезками. Значительную часть пептидной цепи составляет

различного рода петли, которые позволяют изменить направление цепи. Наи-

более экономный структурный элемент, позволяющий повернуть пептидную

цепь на 180

, назван β-изгибом. β-Изгибы образуются четырьмя последователь-

но расположенными аминокислотными остатками с водородной связью 4→1

(цикл из 10 атомов). Две возможные структуры β-изгибов приведены ниже:

Анализ поворотов цепей в глобулярных белках показал, что 65% из них явля-

ются β-изгибами (их называют еще β-шпильками). Третья аминокислота в β-

шпильках - глицин. Другие виды поворотов, как правило, не содержат водород-

ных связей. Иногда такие нестандартные изгибы содержат фрагмент Цис-Про.

Большинство реверсивных поворотов находится на поверхности белка. Они со-

держат в основном гидрофильные остатки.

2.2.3 Третичная структура белков

Пептидная цепь, содержащая участки с определенной вторичной струк-

турой, располагается в пространстве обычно так, чтобы элементы вторичной

структуры, взаимодействуя между собой и с участками с неупорядоченной

126

структурой, образовывали глобулы (глобулярные белки) или вытянутое волок-

но (фибриллярные белки). В этих случаях говорят об образовании третичной

структуры белковой молекулы. Каждый белок обладает своей уникальной про-

странственной структурой.

Фибриллярные белки. В фибриллярных белках пептидные цепи имеют

преимущественно спиральную структуру или структуру складчатого листа. Ин-

тактный белок состоит не из одиночных пептидных цепей, а из их агрегатов.

Фиброин шелка, например, состоит из нескольких цепей со структурой склад-

чатого листа, уложенных стопкой так, что каждая цепь со всех четырех сторон

окружена цепями в антипараллельной ориентации. В то же время, такой белок

как α-кератин (шерсть, волосы, перья, рога, ногти) построен из больших мно-

гоцепочечных структур из скрученных спиральных цепей. Эти цепи связаны в

пучки или взаимоперекручены так, что образуются надструктуры.

Из фибриллярных белков наиболее изучен коллаген. Это основной ком-

понент соединительной ткани и является главным структурным белком всех

живых клеток. Около 30% от массы содержащегося в теле белка приходится на

коллаген. В целом, его содержание в биосфере оценивается в 1млрд.т.

Кон

мация

левозакрученной

спирали отдельной

цепи

гли

гип

гли

Трехспиральная нить

коллагена, называемая

опоколлагеном

15A

Каждое макроволокно коллагена соединительной ткани представляет собой аг-

регат молекул коллагена. Длина молекулы коллагена около 3000Å, молекуляр-

ная масса ≅ 300 000. Структура молекулы коллагена - специфичная спираль

127

(иногда ее называют тропоколлаген): три одинаковые левозакрученные цепи

сплетены в одну и образуют вместе правозакрученную тройную спираль. Каж-

дая тройная цепь имеет гораздо более вытянутую форму, чем исходная молеку-

лярная α-спираль.

Почти треть аминокислотных остатков в ней приходится на глицин, чет-

верть составляют пролин и гидроксипролин, остальное - небольшие количества

других аминокислот, включая гидрокислезин. Аминокислотная последователь-

ность довольно регулярно чередуется, причем глицин находится почти в каж-

дом третьем положении. Очень часто встречаются трипептидные фрагменты:

Гли-Х-Про; Гли-Х-Гип (гидроксипролин); Гли-Про-Гип. Считается, что после-

довательность:

 - - Гли - - Гли - - Гли - - Гли

 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3

совершенно необходима для образования третичной структуры коллагена.

Тройная спираль коллагена стабилизирована невалентными взаимодейст-

виями (водородными связями) и валентными связями между лизином и гидро-

ксилезином. В результате, третичная структура обладает жесткостью и прочно-

стью. Нить коллагена толщиной в 1 мм. способна выдерживать нагрузки до 100

Н (около 10 Кг силы).

Биосинтез коллагена идет в такой последовательности. Вначале форми-

руются две различные пептидные цепи (α1- и α2-цепи) из аминокислот, в т.ч.

пролина и лизина. Далее они агрегируются в спираль состава (α1)

(α2). При

образовании тройной спирали некоторые остаткии пролина и лизина в каждой

из цепей гидроксилируются. Гидроксилирование осуществляется разными

ферментами по пролину и по лизину. Оба фермента используют О

как источ-

ник -ОН группы. Есть свидетельства, что для максимальной эффективности

ферментов необходима аскорбиновая кислота. Предполагается, что гидрокси-

пролин стабилизирует цепь за счет водородной связи. Некоторые -ОН группы

используются для присоединения углеводов к коллагену. Наследственные на

128

рушения процессов гидроксилирования приводят к серьезным дефектам.

Ухудшаются механические свойства тканей (например кожи или связок).

Глобулярные белки. В 1960 г. Кендрю и Перутц с сотрудниками методом

рентгеноструктурного анализа впервые исследовали полную трехмерную

структуру белковой молекулы. К настоящему времени такие работы выполнены

на достаточно большом числе белков. В результате было установлено, что в от-

личие от фибриллярных белков глобулярные представляют собой плотно упа-

кованные свернутые участки пептидной цепи. Однако нет одной единой формы

для всех глобулярных белков. Некоторые среди них - почти правильные сферы,

другие - вытянутые элипсоиды, большинство же имеет промежуточную и не

всегда правильную форму. В целом же результатом этих исследований явились

следующие обобщения.

Нативная конформация белка - индивидуальное структурное свойство

данного белка, которое определяет и его функциональную индивидуальность,

т.е. пространственная структура белка характеристична.

Нативная структура белка определяется не до конца ясными «инструк-

циями» заложенными в его аминокислотной последовательности, т.е. уже в

первичной структуре.

Всем нативным структурам белков присуще одно общее свойство - это

коформация с минимальной энергией, т.е. максимально стабильная.

Существование большого количества складок, поворотов и изгибов в

пептидных цепях белков поддерживается различными стабилизирующими си-

лами. Наиболее мощные из них - ковалентные связи, примерами которых могут

служить дисульфидные мостики. В некоторых белках они, однако, не обнару-

жены. Принято, поэтому считать, что стабилизация в целом осуществляется не-

ковалентными взаимодействиями следующих типов:

¾ электростатические силы притяжения между боковыми цепями с проти-

воположно заряженными ионными группами (ион-ионные взаимодействия), ес

129

ли в состав ПП-цепи входят аминокислоты с полярными R-остатками (лизин,

аргинин, аргинин, глутаминовая и аспарагиновая кислоты);

¾ водородные связи между группами, не участвующими в образовании пеп-

тидной связи, например между остатками тирозина и глутаминовой кислоты;

¾ водородные связи пептидных группировок, которые образуются в спи-

ральных структурах и структурах типа складчатого листа;

¾ гидрофобные взаимодействия между неполярными боковыми цепями

лейцина, валина, изолейцина, аланина, фенилаланина и др. неполярных амино-

кислот;

¾ взаимодействия в простетической группе, например между ионом металла

и R-группами.

Схематически, все перечисленные виды невалентных межмолекулярных

взаимодействий, стабилизирующих пространственную структуру белков пред-

ставлены на рис. 2.3.

Условно принято, что при расстояниях между взаимодействующими

группами в 2-3.1Å они участвуют в полярных взаимодействиях, а при расстоя-

ниях 3.1-4.1Å - в неполярных. Неполярные взаимодействия имеют достаточно

сложный механизм и реализуются в основном за счет энтропийного вклада в

свободную энергетию процесса структурирования белка взаимодействий с уча-

стием молекул воды.

Нативная конформация глобулярного белка очень чувствительна к внеш-

ним воздействиям и гораздо менее устойчива, чем у фибриллярного белка.

Для третичной структуры белков выполняются следующие правила.

¾ Пептидные цепи находятся в наиболее устойчивом состоянии (с наимень-

шей энергией).

¾ Все донорные и акцепторные группы, склонные к образованию водород-

ных связей (или любых других донорно-акцепторных комплексов) расположе-

ны в благоприятных для образования таких связей местах и, как правило, на

поверхности.

130

¾ Заряженные остатки располагаются, как правило, на поверхности белка;

погружение зарядов внутрь белковой молекулы невыгодно (повышает энер-

гию). Иногда наличие зарядов обнаруживается и внутри молекулы, но они на-

ходятся в большинстве случаев на остатках непосредственно участвующих в

актах катализа, или выполняющих другие специфические функции.

¾ Гидрофобные неполярные остатки в глобулярных белках располагаются,

как правило, внутри клубка;

Рис. 2.3

Схема межмолекулярных взаимодействий в молекулах белков, стабилизирую-

щих их пространственную (третичную) структуру

(Рисунок позаимствован из книги: Бохински Р. Современные воззрения в биохимии. 1987.-

М.: Мир.- 544 с.)

131

2.2.4 Четвертичная структура белков

Четвертичная структура присуща только белкам, которые существуют в

виде агрегатов из двух и более пептидных цепей, связанных между собой нева-

лентными взаимодействиями. Ковалентные связи, в том числе и дисульфидные

мостики, отсутствуют. Белки такого типа называют олигомерами. Это могут

быть ди-, три- и т.д. - меры. Ниже, для примера, на рисунке приведены модели

установленных методом РСА структур инсулина и гемоглобина (рисунки взяты

из банка данных белков по сети "Internet").

Известны олигомерные белки и с большим числом пептидных цепей.

Если входящие в олигомер пептидные цепи идентичны, то он называется

гомогенным. Если цепи не идентичны - гетерогенным. Стабилизация агрегатов

осуществляется в основном за счет электростатических и водородных связей

между боковыми цепями, расположенными на поверхности отдельных пептид-

ных цепей. Гидрофобные взаимодействия могут быть, но их значение невелико,

поскольку большинство неполярных остатков находится внутри каждой глобу-

лярной субъединицы.

Из олигомерных белков наиболее изучен гемоглобин - гетерогенный тет-

рамер. Для него методом РСА установлены третичная и четвертичная структу