Белки и аминокислоты
АЗБУКА ЖИВОЙ МАТЕРИИ. БЕЛКИ
Более 4 млрд лет
назад на Земле из маленьких неорганических молекул непостижимым образом
возникли белки, ставшие строительными блоками живых организмов. Своим бесконечным
разнообразием всё живое обязано именно уникальным молекулам белка, и иные
формы жизни во Вселенной науке пока неизвестны.
Белки, или протеины
(от греч. «протос» — «первый»), — это природные органические
соединения, которые обеспечивают все жизненные процессы любого организма. Из
белков построены хрусталик глаза и паутина, панцирь черепахи и ядовитые
вещества грибов... С помощью белков мы перевариваем пищу и боремся с болезнями.
Благодаря особым белкам по ночам светятся светлячки, а в глубинах океана
мерцают таинственным светом медузы.
Белковых молекул в
живой клетке во много раз больше, чем всех других (кроме воды, разумеется!).
Учёные выяснили, что у большинства организмов белки составляют более половины
их сухой массы. И разнообразие видов белков очень велико — в одной клетке
такого маленького организма, как бактерия Escherichia сой' (см. дополнительный очерк «Объект исследования
— прокариоты»), насчитывается около 3 тыс. различных белков.
Впервые белок был
выделен (в виде клейковины) в 1728 г. итальянцем Якопо Бартоломео Беккари
(1682— 1766) из пшеничной муки. Это событие принято считать рождением химии
белка. С тех пор почти за три столетия из природных источников получены тысячи
различных белков и исследованы их свойства.
БИОЛОГИЧЕСКИЕ
«БУСЫ»
Молекула белка очень длинная. Химики называют такие
молекулы полимерными (от греч. «поли» — «много» и «мерос» —
«часть», «доля»). Действительно, длинная молекула полимера состоит из
множества маленьких молекул, связанных друг с другом. Так нанизываются на нить
бусинки в ожерелье. В полимерах роль нити играют химические связи между бусинками-молекулами.
Секрет белков спрятан
в особенностях этих самых бусинок. Большинство полимеров не принимает
устойчивой формы в пространстве, уподобляясь тем же бусам, у которых и не может
быть пространственной структуры: повесишь их на шею — они примут форму кольца
или овала, положишь в коробку — свернутся в клубок неопределённой формы. А теперь
представим себе, что некоторые бусинки могут «слипаться» друг с другом.
Например, красные притягиваются к жёлтым. Тогда вся цепочка примет
определённую форму, обязанную своим существованием «слипа-нию» жёлтых и
красных бусинок
Нечто подобное
происходит и в белках. Отдельные маленькие молекулы, входящие в состав белка,
обладают способностью «слипаться», так как между ними действуют силы притяжения.
В результате у любой белковой цепи есть характерная только для неё
пространственная структура. Именно она определяет чудесные свойства белков. Без
такой структуры они не могли бы выполнять те функции, которые осуществляют в
живой клетке.
При длительном
кипячении белков в присутствии сильных кислот или щелочей белковые цепи
распадаются на составляющие их молекулы,
называемые
аминокислотами. Аминокислоты — это и есть те «бусинки», из которых состоит
белок, и устроены они сравнительно просто.
КАК
УСТРОЕНА АМИНОКИСЛОТА
В каждой молекуле
аминокислоты есть атом углерода, связанный с четырьмя заместителями. Один из
них — атом водорода, второй — карбоксильная группа —СООН. Она легко
«отпускает на волю» ион водорода Н+, благодаря чему в
названии аминокислот и присутствует слово «кислота». Третий заместитель — аминогруппа —NH2 и, наконец, четвёртый заместитель — группа атомов, которую в общем
случае обозначают R. У всех аминокислот R-группы разные, и каждая
из них играет свою, очень важную роль.
Свойства «бусинок»,
отличающие одну аминокислоту от другой, скрыты в R-группах (их ещё называют боковыми
цепями). Что же касается группы —СООН, то химики-органики относятся к ней с
большим почтением: всем другим атомам углерода в молекуле даются обозначения в
зависимости от степени их удалённости от карбоксильной группы. Ближайший к
ней атом именуют а-атомом, второй — в-атомом, следующий — у-атомом
и т. д. Атом углерода в аминокислотах, который находится ближе всех к карбоксильной
группе, т. е. а-атом, связан также с аминогруппой, поэтому природные
аминокислоты, входящие в состав белка, называют а-аминокислотами.
В природе встречаются
также аминокислоты, в которых NH^-группа связана с более отдалёнными от карбоксильной
группы атомами углерода. Однако для построения белков природа выбрала именно а-аминокислоты.
Это обусловлено прежде всего тем, что только а-аминокислоты, соединённые
в длинные цепи, способны обеспечить достаточную прочность и устойчивость
структуры больших белковых молекул.
Число а-аминокислот,
различающихся R-группой, велико. Но чаще других в белках встречается всего 20 разных
аминокислот. Их можно рассматривать как алфавит «языка» белковой молекулы.
Химики называют эти главные аминокислоты стандартными, основными или
нормальными. Условно основные аминокислоты делят на четыре класса.
В первый входят
аминокислоты с неполярными боковыми цепями. Во второй — аминокислоты, содержащие
полярную группу. Следующие два составляют аминокислоты с боковыми цепями,
которые могут заряжаться положительно (они объединяются в третий класс) или
отрицательно (четвёртый). Например, диссоциация карбоксильной группы даёт
анион — СОО-, а протонирование атома азота — катион, например —NH3+. Боковые цепи аспарагиновой и глута-миновой кислот
имеют ещё по одной карбоксильной группе —СООН, которая при значениях рН,
характерных для живой клетки (рН = 7), расстаётся с ионом водорода (Н+)
и приобретает отрицательный заряд. Боковые цепи аминокислот лизина, аргинина
и гистидина заряжены положительно, поскольку у них есть атомы азота, которые,
наоборот, могут ион водорода присоединять.
Каждая а-аминокислота
(кроме глицина) в зависимости от взаимного расположения четырёх заместителей
может существовать в двух формах. Они отличаются друг от друга, как предмет от
своего зеркального отражения или как правая рука от левой. Такие соединения
получили название хоральных (от грен. «хир» — «рука»). Хиральные
молекулы открыл в 1848 г. великий французский учёный Луи Пастер. Два типа
оптических изомеров органических молекул получили названия Д-форма (от лат.
dexter — «правый») и Z-форма (от лат. laevus —
«левый»). Кстати, одно из названий других хиральных молекул — глюкозы и
фруктозы — декстроза и левулоза. Примечательно, что в состав белков входят
только Z-аминокислоты, и вся белковая жизнь на Земле — «левая».
Для нормальной
жизнедеятельности организм нуждается в полном наборе из 20 основных
a-Z-аминокислот. Но одни из них могут быть синтезированы в клетках самого
организма, а другие — должны поступать в готовом виде из пищевых продуктов. В
первом случае аминокислоты называют заменимыми, а во втором — незаменимыми.
Набор последних для разных организмов различен. Например, для белой крысы
незаменимыми являются 10 аминокислот, а для молочнокислых бактерий — 16.
Растения могут самостоятельно синтезировать самые разнообразные аминокислоты,
создавать такие, которые не встречаются в белках.
Для удобства 20
главных аминокислот обозначают символами, используя одну или первые три буквы
русского или английского названия аминокислоты, например аланин — Ала или А,
глицин — Гли или G.
ЧТО ТАКОЕ
ПЕПТИД
Полимерная молекула
белка образуется при соединении в длинную цепочку бусинок-аминокислот. Они
нанизываются на нить химических связей благодаря имеющимся у всех аминокислот
амино- и карбоксильной группам, присоединённым к а-атому углерода.
Образующиеся в
результате такой реакции соединения называются пеп-тидами; (—СО—NH—группировка
в них — это пептидная группа, а связь между атомами углерода и азота — пептидная
связь (её ещё называют амидной). Соединяя аминокислоты посредством
пептидных связей, можно получить пептиды, состоящие из остатков очень многих
аминокислот. Такие соединения получили название полипептиды.
Полипептидное строение белковой молекулы доказал в 1902 г. немецкий химик
Эмиль Герман Фишер.
На концах
аминокислотной цепочки находятся свободные амино-и карбоксильная группы; эти
концы цепочки называют N- и С-концами. Аминокислотные остатки в
полипеп-тидной цепочке принято нумеровать с N-конца.
Общее число
аминокислотных остатков в белковой молекуле изменяется в очень широких
пределах. Так, человеческий инсулин состоит из 51 аминокислотного остатка, а
лизо-цим молока кормящей матери — из 130. В гемоглобине человека 4 аминокислотные
цепочки, каждая из которых построена из примерно 140 аминокислот. Существуют
белки, имеющие почти 3 тыс. аминокислотных остатков в единой цепи.
Молекулярные массы
белков лежат в диапазоне примерно от 11 тыс. для малых белков, состоящих из 100
аминокислотных остатков, до 1 млн и более для белков с очень длинными
полипептидными цепями или для белков, состоящих из нескольких по-липептидных
цепей.
Возникает вопрос: как
же всё огромное многообразие белков с различными функциями и свойствами может
быть создано всего из 20 молекул? А разгадка этого секрета природы проста —
каждый белок имеет свой неповторимый аминокислотный состав и уникальный
порядок соединения аминокислот, называемый первичной структурой белка.
СПИРАЛИ И
СЛОИ
В начале 50-х гг. XX
в. американские химики Лайнус Карл Полинг (1901— 1994), награждённый
Нобелевской премией за исследования природы химической связи, и Роберт Кори (1897—1971)
предположили, что некоторые участки аминокислотной цепочки в белках закручены
в спираль. Благодаря совершенствованию экспериментальных методов (структуру
белков изучают с помощью рентгеновских лучей) через несколько лет эта
гениальная догадка подтвердилась.
Действительно,
полипептидные цепи очень часто образуют спираль, закрученную в правую сторону.
Это первый, самый низкий уровень пространственной организации белковых
цепочек Здесь-то и начинают играть роль слабые взаимодействия
«бусинок»-аминокислот: группа С=0 и группа
N—H из разных пептидных связей
могут образовывать между собой водородную связь. Оказалось, что в открытой
Полингом и Кори спирали такая связь образована между группой С=0 каждой г-й
аминокислоты и группой N—H (i + 4)-й аминокислоты, т. е. между собой связаны
аминокислотные остатки, отстоящие друг от друга на четыре «бусинки». Эти
водородные связи и стабилизируют такую спираль в целом. Она получила название
a.-спирали.
Позднее выснилось,
что а-спираль — не единственный способ укладки аминокислотных цепочек. Помимо
спиралей они образуют ещё и слои. Благодаря всё тем же водородным связям между
группами С=0 и N—H друг с другом могут «слипаться» сразу несколько
разных фрагментов одной полипептидной цепи. В результате получается целый слой
— его назвали ^-слоем.
В большинстве белков
а-спирали и р-слои перемежаются всевозможными изгибами и фрагментами цепи без
какой-либо определённой структуры. Когда имеют дело с пространственной
структурой отдельных участков белка, говорят о вторичной структуре белковой
молекулы.
БЕЛОК В
ПРОСТРАНСТВЕ
Для того чтобы получить
полный «портрет» молекулы белка, знания первичной и вторичной структуры
недостаточно. Эти сведения ещё не дают представления ни об объёме, ни о форме
молекулы, ни тем более о расположении участков цепи по отношению друг к другу.
А ведь все спирали и слои каким-то образом размещены в пространстве. Общая
пространственная структура поли-пептидной цепи называется третичной
структурой белка.
Первые
пространственные модели молекул белка — миоглобина и гемоглобина — построили в
конце 50-х гг. XX в. английские биохимики Джон Ко-удери Кендрю (родился в 1917
г.) и Макс Фердинанд Перуц (родился в 1914 г.). При этом они использовали
данные экспериментов с рентгеновскими лучами. За исследования в области
строения белков Кендрю и Перуц в 1962 г. были удостоены Нобелевской премии. А
в конце столетия была определена третичная структура уже нескольких тысяч
белков.
При образовании
третичной структуры белка наконец-то проявляют активность R-группы — боковые
цепи аминокислот. Именно благодаря им «слипаются» между собой большинство
«бусинок»-аминокислот, придавая цепи определённую форму в пространстве.
В живом организме
белки всегда находятся в водной среде. А самое большое число основных аминокислот
— восемь — содержат неполярные R-группы. Разумеется, белок стремится надёжно
спрятать внутрь своей молекулы неполярные боковые цепи, чтобы ограничить их
контакт с водой. Учёные называют это возникновением гидрофобных взаимодействий
(см. статью «Мельчайшая единица живого»).
Благодаря гидрофобным
взаимодействиям вся полипептидная цепочка принимает определённую форму в
пространстве, т. е. образует третичную структуру.
В молекуле белка
действуют и другие силы. Часть боковых цепей основных аминокислот заряжена
отрицательно, а часть — положительно. Так как отрицательные заряды притягиваются
к положительным, соответствующие «бусинки» «слипаются». Электростатические
взаимодействия, или, как их называют иначе, солевые мостики, — ещё одна
важная сила, стабилизирующая третичную структуру.
У семи основных
аминокислот есть полярные боковые цепи. Между ними могут возникать водородные
связи, тоже играющие немалую роль в поддержании пространственной структуры
белка.
Между двумя
аминокислотными остатками цистеина иногда образуются ковалентные связи (—S—S—), которые очень прочно фиксируют расположение
разных участков белковой цепи по отношению друг к другу. Такие связи называют дисуль-фидными
мостиками. Это самые немногочисленные взаимодействия в белках (в некоторых
случаях они вообще отсутствуют), зато по прочности они не имеют равных.
ВЫСШИЙ
УРОВЕНЬ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ОРГАНИЗАЦИИ БЕЛКОВ
Молекула белка может
состоять не из одной, а из нескольких полипептидных цепей. Каждая такая цепь
представляет собой самостоятельную пространственную структуру — субь-единицу.
Например, белок гемоглобин состоит из четырёх субъединиц, которые образуют
единую молекулу, располагаясь в вершинах почти правильного тетраэдра.
Субъединицы «прилипают» друг к другу благодаря тем же самым силам, что
стабилизируют третичную структуру. Это гидрофобные взаимодействия, солевые
мостики и водородные связи.
Если белок состоит из
нескольких субъединиц, говорят, что он обладает четвертичной структурой.
Такая структура представляет собой высший уровень организации белковой молекулы.
В отличие от первых трёх уровней четвертичная структура есть далеко не у всех
белков. Приблизительно половина из известных на сегодняшний день белков её не
имеют.
ПОЧЕМУ
БЕЛКИ БОЯТСЯ ТЕПЛА
Связи, поддерживающие
пространственную структуру белка, довольно легко разрушаются. Мы с детства
знаем, что при варке яиц прозрачный яичный белок превращается в упругую белую
массу, а молоко при скисании загустевает. Происходит это из-за разрушения
пространственной структуры белков альбумина в яичном белке и казеина (огглат. caseus
— «сыр») в молоке. Такой процесс
называется денатурацией. В первом случае её вызывает нагревание, а во
втором — значительное увеличение кислотности (в результате жизнедеятельности
обитающих в молоке бактерий). При денатурации белок теряет способность
выполнять присущие ему в организме функции (отсюда и название процесса: от
лат. denaturare — «лишать природных свойств»).
Денатурированные белки легче усваиваются организмом, поэтому одной из целей
термической обработки пищевых продуктов является денатурация белков.
ЗАЧЕМ
НУЖНА ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТРУКТУРА
В природе почти
ничего не происходит случайно. Если белок принял определённую форму в
пространстве, это должно служить достижению какой-то цели. Действительно,
только белок с «правильной» пространственной структурой может обладать определёнными
свойствами, т. е. выполнять те функции в организме, которые ему предписаны. А
делает он это с помощью всё тех же R-групп аминокислот. Оказывается, боковые
цепи не только поддерживают «правильную» форму молекулы белка в пространстве.
R-группы могут связывать другие органические и неорганические молекулы,
принимать участие в химических реакциях, выступая, например, в роли катализатора.
Часто сама
пространственная организация полипептидной цепи как раз' и нужна для того,
чтобы сосредоточить в определённых точках пространства необходимый для
выполнения той или иной функции набор боковых цепей. Пожалуй, ни один процесс
в живом организме не проходит без участия белков.
В ЧЁМ
СЕКРЕТ ФЕРМЕНТОВ
Все химические
реакции, протекающие в клетке, происходят благодаря особому классу белков — ферментам.
Это белки-катализаторы. У них есть свой секрет, который позволяет им работать
гораздо эффективнее других катализаторов, ускоряя реакции в миллиарды раз.
Предположим, что
несколько приятелей никак не могут встретиться. Но стоило одному из них
пригласить друзей на день рождения, как результат не заставил себя ждать: все
оказались в одном месте в назначенное время.
Чтобы встреча
состоялась, понадобилось подтолкнуть друзей к контакту. То же самое делает и
фермент. В его молекуле есть так называемые цгнтры связывания. В них
расположены привлекательные для определённого типа химических соединений (и
только для них!) «уютные кресла» — R-группы, связывающие какие-то участки
молекул реагирующих веществ. Например, если одна из молекул имеет неполярную
группу, в центре связывания находятся гидрофобные боковые цепи. Если же в
молекуле есть отрицательный заряд, его будет поджидать в молекуле фермента
R-группа с положительным зарядом.
Страницы: 1, 2
|