Белки, строение, свойства, значение

Наиболее изученным  олигомерным ферментом является лактатдегидрогеназа (она катализирует обратимое превращение пировиноградной кислоты в молочную), содержащая два типа полипептидных цепей: Н – сердечный тип (от англ. heart – сердце) и М – мышечный тип (от англ. muscle – мышца) – и состоящая из 4 субъединиц. Этот фермент благодаря различным сочетаниям субъединиц может существовать в 5 формах. Такие ферменты получили название изоферментов, или, в соответствии с новой классификацией, множественных форм ферментов.

К настоящему времени  субъединичная структура обнаружена у нескольких сотен белков. Однако только для немногих белков, в том  числе для молекулы гемоглобина, методом рентгеноструктурного анализа  расшифрована четвертичная структура. Основными силами, стабилизирующими четвертичную структуру, являются нековалентные  связи между контактными площадками протомеров, которые взаимодействуют  друг с другом по типу комплементарности  – универсальному принципу, свойственному  живой природе. Структура белка  после его синтеза в рибосоме может частично подвергаться модификации (посттрансляционный процессинг): например, при превращении предшественников ряда ферментов или гормонов (инсулин).

Таким образом, имеются  все основания для подтверждения  мнения о существовании 4 уровней  структурной организации белков. Более того, каждый индивидуальный белок характеризуется уникальной структурой, обеспечивающей уникальность его функций. Поэтому выяснение  структуры разнообразных белков может служить ключом к познанию природы живых систем и соответственно сущности жизни. На этом пути научного поиска могут быть решены также многие проблемы наследственных заболеваний  человека, в основе которых лежат  дефекты структуры и биосинтеза белков.

Некоторые исследователи  склонны рассматривать, и не без  основания, существование пятого уровня структурной организации белков. Речь идет о полифункциональных макромолекулярных комплексах, или ассоциатах из разных ферментов, получивших название метаболических олигомеров, или метаболонов, и катализирующих весь путь превращений субстрата (синтетазы высших жирных кислот, пируватдегидрогеназный комплекс, дыхательная цепь). 
 
 
 
 
 
 
 
 

СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ БЕЛКОВ 

Выяснение структурной  организации белков считается одной  из главных проблем современной  биохимии. Оно имеет важное научно-практическое значение для понимания огромного  разнообразия функций белков, выполняемых  ими в живых организмах. Белковые молекулы представляют собой продукт  полимеризации 20 различных мономерных молекул (аминокислот), соединенных  не хаотично, а в строгом соответствии с кодом белкового синтеза. Вопрос о том, каким образом соединяются  между собой многие десятки и  сотни аминокислот в белковой молекуле, был предметом пристального внимания многих лабораторий мира, занимавшихся химией белка.

Впервые А. Я. Данилевский (1888), изучая биуретовую реакцию, высказал предположение о существовании во всех белковых веществах одинаковых групп атомов и связей, аналогичных биурету NH2—СО—NH—СО—NH2. Тем самым А.Я. Данилевский первый указал на связь —NH—СО— (позднее получившую название пептидной связи) как на наиболее вероятный способ соединения аминокислот в белковой молекуле.

Однако только Э. Фишер (1902) сформулировал полипептидную  теорию строения. Согласно этой теории, белки представляют собой сложные  полипептиды, в которых отдельные  аминокислоты связаны друг с другом пептидными связями, возникающими при  взаимодействии α-карбоксильных СООН- и α-NН2-групп аминокислот. На примере  взаимодействия аланина и глицина  образование пептидной связи  и дипептида (с выделением молекулы воды) можно представить следующим  уравнением: 

Аналогичным способом к дипептиду могут присоединяться и другие аминокислоты с образованием три-, тетра-, пентапептида и т.д. вплоть до крупной молекулы полипептида (белка). Наименование пептидов складывается из названия первой N-концевой аминокислоты со свободной NH2-группой (с окончанием -ил, типичным для ацилов), названий последующих аминокислот (также  с окончаниями -ил) и полного названия С-концевой аминокислоты со свободной  СООН-группой. Например, пентапептид  из 5 аминокислот может быть обозначен  полным наименованием: глицил-аланил-серил-цистеинил-аланин, или сокращенно Гли–Ала–Сер–Цис–Ала. 

Образование пептидных  связей, например, из трех разных аминокислот  может быть представлено в виде следующей  схемы: 

Химический синтез полипептидов и современные физико-химические методы исследования белков полностью  подтвердили существование пептидных  связей в структуре белка. Получены следующие экспериментальные доказательства полипептидной теории строения белка.

1. В природных  белках сравнительно мало титруемых  свободных СООН- и NH2-групп, поскольку  абсолютное их большинство находится  в связанном состоянии, участвуя  в образовании пептидных связей; титрованию доступны в основном  свободные СООН- и NН2-группы у  N- и С-концевых аминокислот пептида.

2. В процессе кислотного  или щелочного гидролиза белка  образуются стехиометрические количества  титруемых СООН - и NH2-групп, что свидетельствует о распаде определенного числа пептидных связей.

3. Под действием  протеолитических ферментов (протеиназ)  белки расщепляются на строго  определенные фрагменты, называемые  пептидами, с концевыми аминокислотами, соответствующими избирательности  действия протеиназ. Структура  некоторых таких фрагментов неполного  гидролиза доказана последующим химическим их синтезом.

4. Биуретовую реакцию  (сине-фиолетовое окрашивание в  присутствии раствора сульфата  меди в щелочной среде) дают  как биурет, содержащий пептидную  связь, так и белки, что также  является доказательством наличия  в белках аналогичных связей.

5. Анализ рентгенограмм  кристаллов белков подтверждает  полипептидную структуру белков. Таким образом, рентгеноструктурный  анализ при разрешении 0,15–0,2 нм  позволяет не только вычислить  межатомные расстояния и размеры валентных углов между атомами С, Н, О и N, но и «увидеть» картину общего расположения аминокислотных остатков в полипептидной цепи и пространственную ее ориентацию (конформацию).

6. Существенным подтверждением  полипептидной теории строения  белка является возможность синтеза  чисто химическими методами полипептидов  и белков с уже известным  строением: инсулина – 51 аминокислотный  остаток, лизоцима – 129 аминокислотных  остатков, рибонуклеазы – 124 аминокислотных  остатка. Синтезированные белки  обладали аналогичными природным  белкам физико-химическими свойствами и биологической активностью.

Полипептидная теория строения не отрицает существования  в молекуле белка и других связей, включая ковалентные (например, дисульфидные —S—S-связи) и нековалентные (например, водородные связи и др.). Они будут рассмотрены далее.

Пептидные связи  играют исключительную роль как в  «архитектуре», так и в функции  белков. Поэтому следует указать  на некоторые особенности строения полипептидной цепи. Во-первых, это  своеобразие расположения атомов углерода и азота, находящихся примерно в  одной плоскости, и атомов водорода и радикалов, направленных к этой плоскости под углом 109°28'. Во-вторых, это своеобразие петидной связи. Расстояние между атомами С и N в пептидной связи (равное 0,132 нм) является промежуточным между простой (ординарной) связью (связь —С—N—, равная 0,147 нм) и двойной связью (связь  —C=N—, равная 0,125 нм). Это создает  предпосылки для осуществления  по месту двойной связи таутомерных  перегруппировок и для образования  енольной (лактимной) формы. Последняя  в свою очередь дает молекуле белка  ряд преимуществ (повышение реакционной  способности, возникновение дополнительных возможностей вращения и др.): 

Наконец, следует  указать на своеобразие радикалов, которые являются полифункциональными, несущими свободные NH2-, СООН-, ОН-, SH-группы и, как было указано, определяют структуру (пространственную) и многообразие функций молекул белка. Взаимодействуя с окружающими молекулами растворителя (Н2О), функциональные группы (в частности, NH2- и СООН-группы) ионизируются, что  приводит к образованию анионных и катионных центров белковой молекулы. В зависимости от соотношения ионов молекулы белка получают суммарный положительный (+) или отрицательный (–) заряд с определенным значением изоэлектрической точки.

Получены доказательства предположения К. Линдерстрёма-Ланга  о существовании 4 уровней структурной  организации белковой молекулы: первичной, вторичной, третичной и четвертичной структуры. Техника современной  белковой химии разработана настолько  хорошо, что позволяет в принципе расшифровать структурную организацию  любого белка. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Заключение 

Белки выполняют множество самых разнообразных функций, характерных для живых организмов, с некоторыми из которых мы познакомимся более подробно при дальнейшем изучении курса. Ниже рассматриваются главные и в некотором смысле уникальные биологические функции белков, несвойственные или лишь частично присущие другим классам биополимеров.

Каталитическая  функция. К 1995 г. было идентифицировано более 3400 ферментов. Большинство известных в настоящее время ферментов, называемых биологическими катализаторами, является белками. Эта функция белков, хотя и не оказалась уникальной, определяет скорость химических реакций в биологических системах.

Транспортная  функция. Дыхательная функция крови, в частности перенос кислорода, осуществляется молекулами гемоглобина – белка эритроцитов. В транспорте липидов принимают участие альбумины сыворотки крови. Ряд других сывороточных белков образует комплексы с жирами, медью, железом, тироксином, витамином А и другими соединениями, обеспечивая их доставку в соответствующие органы-мишени.

Защитная функция. Основную функцию защиты в организме выполняет иммунная система, которая обеспечивает синтез специфических защитных белков-антител в ответ на поступление в организм бактерий, токсинов, вирусов или чужеродных белков. Высокая специфичность взаимодействия антител с антигенами (чужеродными веществами) по типу белок-белковое взаимодействие способствует узнаванию и нейтрализации биологического действия антигенов. Защитная функция белков проявляется и в способности ряда белков плазмы крови, в частности фибриногена, к свертыванию. В результате свертывания фибриногена образуется сгусток крови, предохраняющий от потери крови при ранениях.

Сократительная  функция. В акте мышечного сокращения и расслабления участвует множество белковых веществ. Однако главную роль в этих жизненно важных процессах играют актин и миозин – специфические белки мышечной ткани. Сократительная функция присуща не только мышечным белкам, но и белкам цитоскелета, что обеспечивает тончайшие процессы жизнедеятельности клеток (расхождение хромосом в процессе митоза).

Структурная функция. Белки, выполняющие структурную (опорную) функцию, занимают по количеству первое место среди других белков тела человека. Среди них важнейшую роль играют фибриллярные белки, в частности коллаген в соединительной ткани, кератин в волосах, ногтях, коже, эластин в сосудистой стенке и др. Большое значение имеют комплексы белков с углеводами в формировании ряда секретов: мукоидов, муцина и т.д. В комплексе с липидами (в частности, с фосфолипидами) белки участвуют в образовании биомембран клеток.