Белки и аминокислоты
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.
В результате обе молекулы реагентов связываются с ферментом и оказываются
в непосредственной близости друг от друга. Мало того, те их группы, которые
должны вступить в химическую реакцию, сориентированы в пространстве нужным
для реакции образом. Теперь за дело принимаются боковые цепи фермента,
играющие роль катализаторов. В ферменте все «продумано» таким образом, что
R-группы-катализаторы тоже расположены вблизи от места событий, которое
называют активным центром. А после завершения реакции фермент «отпускает на
волю» молекулы-продукты (см. статью «Ферменты — на все руки мастера»).
ОТКУДА БЕРЁТСЯ ИММУНИТЕТ
Белки выполняют в организме множество функций; они, например, защищают
клетки от нежелательных вторжений, предохраняют их от повреждений.
Специальные белки — антитела обладают способностью распознавать проникшие в
клетки бактерии, вирусы, чужеродные полимерные молекулы и нейтрализовывать
их.
У высших позвоночных от чужеродных частиц организм защищает иммунная
система. Она устроена так, что организм, в который вторглись такие
«агрессоры» — антигены, начинает вырабатывать антитела. Молекула антитела
прочно связывается с антигеном: у антител, как и у ферментов, тоже есть
центры связывания. Боковые цепи аминокислот расположены в центрах таким
образом, что антиген, попавший в эту ловушку, уже не сможет вырваться из
Страницы: 1, 2
|