Том 1 (1128365), страница 14
Текст из файла (страница 14)
2-8 приводится классификация белков на основе ихбиологических функций и дано небольшое число примеров.40Рис. 2.35. А. Обобщенная структура α-аминокислот; R-боковаягруппа (радикал). Б. Боковые группы некоторых аминокислот (см. также табл. 2-7.).Все аминокислоты, из которых построены белки, являются молекуламиаальфа(α)-типа, поскольку в каждой из них аминогруппа находится при атоме αуглерода соответствующей молекулы.
Эти 20 обычных аминокислот отличаютсядруг от друга структурой боковых групп (рис. 2-35). Боковые группы служатбуквами в белковом алфавите точно так же, как пуриновые и пиримидиновыеоснованияобразуютмолекулярныйалфавитнуклеиновыхкислот.Специфическая линейная последовательность аминокислотных остатков вполипептидноймолекуленазываетсяее первичнойструктурой.Аминокислотные остатки полипептидной цепи соединены со своими соседямиковалентными пептидными связями с образованием плоских амидных групп.Пептидная связь образуется путем конденсации, при которой отщепляетсямолекула воды.
Белковая молекула может состоять из одной, двух илинескольких полипептидных цепей, удерживаемых вместе ковалентными либоболее слабыми связями.Первичная структура полипептидной цепи задает ту пространственнуюконформацию, которую молекула будет иметь в конкретной окружающей среде.Эта конформация зависит от типа и положения боковых групп, выступающих изполипептидного остова.
Кроме первичной структуры (т.е. аминокислотнойпоследовательности) существуют еще дополнительные конформационныеуровни, называемые вторичным, третичным и четвертичным.Рис. 2.36. Трипептид. Показан плоский характер пептидных связей.Под вторичной структурой понимают конформацию полипептидной цепи,п о д третичной структурой - сворачивание цепи, в результате которогополучаются глобулярные или стержнеобразные молекулы, а под четвертичнойструктурой- соединение двух или более белковых молекул с образованиемдимеров, тримеров и, в ряде случаев, даже более крупных агрегатов.Из-за промежуточного характера связи C...N, которая является не чистоодинарной, а отчасти двойной, свободное вращение вокруг нее фактическизапрещено; по этой причине атомы амидной группы вынужденно находятся водной плоскости (рис.
2-36). Остаются только две связи из трех, образующихпептидный остов, вокруг которых возможно свободное вращение. ЛайнусПолинг и Роберт Кори в 1953 г., используя точные пространственные моделимолекул, учитывающие взаимное расположение и размеры атомов, обнаружили,что самым простым вариантом стабильной конформации является спираль,показанная на рис. 2-37. В этой так называемой α-спирали плоскости всехамидных групп параллельны главной оси спирали и на один ее витокприходится 3,6 аминокислотных остатков. Боковые группы всех аминокислотвыступают из остова наружу и могут взаимодействовать с другими боковымигруппами или другими молекулами.
Стабильность α-спирали существенновозрастает при образовании водородных связей между атомом кислородакарбонильной группы и атомом41Рис. 2.37. Белковая α-спиралъ с шагом 3,6 аминокислотных остатков на виток. В верхней части молекулыполипептидная цепь развернута. (Haggis et at., 1964.)водорода амидной группы, отстоящей от данной на четыре остатка вдоль цепи(рис. 2-38). Таким образом, полипептидная цепь принимает конформацию αспирали самопроизвольно при условии, что этому не мешают боковые группы.Длинные пептидные цепи с ненарушенной конформацией α-спиралихарактерны для фибриллярных белков, подобных тем, которые составляютоснову волос, ногтей и клыков, шерсти, рогов и перьев.
Шелк, вырабатываемыйгусеницами, является исключением, поскольку вторичная структура его волоконобразована складчатыми слоями [бета(β)-кератин], а не α-спиралью.Внутриклеточные белки, которые не несут чисто структурных функций,имеют более или менее глобулярную конформацию. Такие глобулярные белкитакже содержат а-спирали, но их длина относительно невелика. В этих белкахполипептидная цепь образует трехмерную глобулу. Характер третичнойструктуры в значительной мере определяется свойствами некоторых боковыхгрупп аминокислот. Например, в боковой группе пролина (рис. 2-39) вращениевокруг связи N-С невозможно (хотя последняя и не принадлежит к пептиднойсвязи), поскольку атом азота является частью жесткой циклической структуры.Таким образом, как только пролин (или гидроксипролин) встречается вполипептидной цепи, происходит деформация а-спирали и полипептидныйостов изгибается -на некоторый угол, способствуя тем самым образованиюглобулярной конформации.
Другой фактор, влияющий на третичную структурубелка, - наличие42Рис. 2.38. Водородные связи между атомом кислорода карбонильной группы и атомом водорода амиднойгруппы четвертого (по ходу цепи) аминокислотного остатка в α-спирали белка. (Loewy, Siekevitz, 1969.)электрического заряда на отдельных боковых группах и возникающие врезультате кулоновские (электростатические) взаимодействия этих групп сдругими боковыми группами. Специального упоминания заслуживает боковаягруппа цистеина. Сульфгидрильная группа (т. е.
-SH) играет важную роль вковалентном сшивании белковой структуры (соединении двух отдельныхполипептидных цепей или фиксации цепи в сложенном состоянии), посколькудва остатка цистеина могут соединиться друг с другом, образуя дисульфидныймостик (рис. 2-40). Сульфгидрильная группа весьма реакционноспособна,поэтому неудивительно, что в активных центрах ферментов часто присутствуютодин или более остатков цистеина. Токсичность ртути и других тяжелыхметаллов объясняется отчасти тем, что они реагируют с атомом серы цистеина,замещая атом водорода. Такая реакция может "отравить" (т.е.
лишитькаталитической способности) активный центр фермента.Рис. 2.39. Схема, показывающая, каким образом остаток пролина может изменить направлениеполипептидной цепи, создавая "изломы" в структуре а-спирали и влияя тем самым на конформациюбелковой молекулы.Рис.
2.40. Образование дисулъфидной связи, имеющее важное значение для формирования третичнойструктуры белка путем сшивания разных участков полипептидных цепей.Помимо наличия ковалентных сшивок -S-S- между остатками цистеинатретичная структура белка самым непосредственным образом зависит отконформации некоторых остатков, кулоновских и вандерваальсовыхвзаимодействий, водородных связей. Последние три типа связей относительнослабы и термолабильны.
Вот почему нагревание белка приводит к егоденатурации, т.е. вызывает деформацию и разрушение его третичной структуры.Высокие температуры способны инактивировать ферменты и являются, такимобразом, гибельными для живых клеток.Важное свойство белков заключается в их способности к самосборке.Аминокислотная43Рис. 2.41. Четвертичная структура белка коллагена, состоящая из трех а-спиралей, каждая из которыхзакручена в "сверхспираль". Сверхспирали удерживаются вместе водородными связями.
(Dowben, 1971.)последовательность полипептидной цепи (и, следовательно, относительныеположения различных аминокислотных боковых групп) не только определяетвторичную и третичную структуры молекулы, но и обусловливает появлениеучастков, способных специфически взаимодействовать с некоторыми другимибелковыми молекулами; это позволяет нескольким разным молекулам(субъединицам) собираться вместе и образовывать стабильные четвертичныекомплексы (рис.
2-41). Такие взаимодействия могут происходить, еслисубъединицы имеют комплементарные участки, такие, что 1) отрицательнозаряженные группы одной субъединицы оказываются напротив положительнозаряженных групп другой субъединицы; 2) гидрофобные, неполярные боковыегруппы субъединиц, оказавшись рядом, совместно вытесняют молекулы воды.Ряд ферментов и другие белки представляют собой не единичные белковыемолекулы, а состоят из молекулярных субъединиц, связанных друг с другомупомянутым выше способом, без образования ковалентных связей. Например,пигмент дыхательной системы гемоглобин состоит из четырех субъединиц: двухα- и двух β-полипептидных цепей (рис.
2-42, А). Эти молекулы самопроизвольнособираются в комплекс, если их по отдельности добавить в раствор иперемешать. Один из вариантов объединения субъединиц в комплекс показан нарис. 2-42, Б.4438 :: 39 :: 40 :: 41 :: 42 :: 43 :: 44 :: Содержание44 :: 45 :: 46 :: Содержание2.8.4. Нуклеиновые кислотыДезоксирибонуклеиновая кислота была впервые выделена ФридрихомМишером из лейкоцитов и спермы лосося в 1869 г. В течение последующихдесятилетий был установлен химический состав ДНК и получены данные,свидетельствующие о том, что она имеет прямое отношение к механизмамнаследственности. В настоящее время общеизвестно, что ДНК входит в составхромосом и заключает в последовательности одной из двух своих субъединицзакодированную информацию, которая передается от каждой клетки к еедочерним клеткам и от одного поколения организмов к другому. Она и естьвещество менделевских "факторов" (генов).Позже была открыта вторая группа нуклеиновых кислот -рибонуклеиновыекислоты (РНК); теперь мыРис.
2.42.Молекулярная структура гемоглобина, состоящего из двух α- и двух β-цепей. А. α- и β-цепи,соединенные между собой дисулъфидными мостиками. (Dowben,1971) Б. Кристаллографическаяреконструкция молекулы. Диски-гемогруппы, которые связывают кислород. (The Hemoglobin Molecule,by M. F. Perutz.
© 1964 by Scientific American, Inc.)44Рис. 2.43. Структурные формулы обычных пуриновых и пиримидиновых оснований.знаем, что они, в частности, служат инструментом трансляции (перевода)закодированноговДНКсообщениянаязыкаминокислотнойпоследовательности в процессе синтеза белковых молекул.Нуклеиновые кислоты образуются в результате полимеризациимономерныхзвеньев,называемых нуклеотидами, которые состоят изпиримидинового или пуринового основания (рис. 2-43), сахара из группы пентози остатка фосфорной кислоты (рис.
2-44). Существует пять основныхнуклеотидов: в ДНК обнаружены аденин, тимин, гуанин и цитозин, а в РНКместо тимина занимает урацил. Остов поли-нуклеотидной цепи (рис. 2-45)состоит из сахарных остатков нуклеотидов, соединенных друг с другомфосфодиэфирными связями посредством фосфатных групп, которые образуютмостик между 3'-угле-родом одного пентозного цикла и 5'-углеродомследующего. Пуриновые и пиримидиновые основания выступают изсахарофосфатного остова и не участвуют в формировании его структуры,имеющей монотонный характер. Последовательность же оснований вдоль этойцепи кодирует генетическую информацию.
Цепь ДНК закручена в виде спирали,напоминая винтовую лестницу, и соединена с комплементарной цепью спомощью водородных связей, образующихся между аденином и тимином, атакже гуанином и цитозином (рис. 2-46). Конформация остова и размерыосновавши таковы, чтоРис. 2.44. Структура нуклеотида.Puc. 2.45. Структура одноцепочечной ДНК. (Lehninger, 1975.)45Рис. 2.46.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
