Введение в биологию (IIIa)
Тема III
БЕЛКИ (продолжение)
Посмотрим на схему типичного пептида, в данном случае состоящего всего из пяти аминокислот. Надо заметить, что это очень мало. Длинные пептиды с многими десятками аминокислотных остатков (от 50 и больше) называются полипептидами. Все белки - полипептиды. Аминокислотных остатков в них чаще всего даже не десятки, а сотни. Порядок аминокислот в белке принято принято перечислять от N-конца (аминогруппа) к C-концу (карбоксил).
А теперь представим, что молекулу пептида бросили в воду. Очевидно, что она не останется там вытянутой в линию, а будет как-то сворачиваться. Иными словами, молекула белка в воде обязательно примет некоторую трехмерную форму (конформацию), которая будет зависеть от взаимодействий между ее частями и особенно между радикалами аминокислот. А ведь эти радикалы, как мы уже знаем, бывают очень разными.
Принято выделять четыре уровня структуры белка:
● Первичная структура - последовательность аминокислотных остатков, соединенных пептидными связями.
● Вторичная структура - взаимодействия между аминокислотами в составе одной и той же пептидной цепочки, расположенными близко (через считанные остатки друг от друга).
● Третичная структура - взаимодействия между аминокислотами в составе одной и той же пептидной цепочки, расположенными сколь угодно далеко, хоть на разных ее концах.
● Четвертичная структура - взаимодействия между разными пептидными цепочками, собранными в функциональный белок. Если белок состоит из одной полипептидной цепи, то четвертичной структуры у него нет.
Первичная структура одномерна, все остальные - трехмерны. К первичной структуре относятся пептидные связи, к остальным уровням - любые другие взаимодействия между аминокислотными остатками.
Первичная структура - это просто сама последовательность аминокислот, например: глицин, пролин, глицин, треонин, глицин, глутамат... и так далее. Показанный слева пептид из 24 аминокислот - условность, настоящие белки очень редко бывают такими маленькими. Показанный справа белок из 129 аминокислот - гораздо более типичная штука, хотя даже такой белок считается небольшим. В обоих случаях цепи нарисованы изогнутыми исключительно для удобства и наглядности, на самом деле с таким же успехом можно было бы просто перечислить аминокислоты в строчку (как это и делается в соответствующих базах данных).
Объемная структура белковой молекулы (вторичная, третичная и четвертичная) держится на следующих типах взаимодействий между аминокислотными остатками:
● Водородные связи (как между полярными боковыми цепями аминокислот, так и между пептидными группами).
● Электрическое притяжение между положительно и отрицательно заряженными боковыми цепями.
● Гидрофобные взаимодействия между углеводородными боковыми цепями. Напомним, что гидрофобными называются молекулы или части молекул, в которых нет полярных связей и которые поэтому плохо взаимодействуют с водой. А вот слипаться вместе, чтобы уменьшить поверхность собственного взаимодействия с водой, они как раз склонны. Такое слипание может быть довольно прочным - оно и называется гидрофобным взаимодействием или даже гидрофобной связью.
● Дисульфидные мостики между остатками аминокислоты цистеина.
Все эти взаимодействия, кроме дисульфидных мостиков - нековалентные. А вот о самих дисульфидных мостиках мы еще не говорили. Они образуются между остатками аминокислоты цистеина, боковая цепь которой имеет вид -CH2-SH. Уже после того, как белок синтезирован, между входящими в него остатками цистеина может произойти вот такая реакция:
У остатков цистеина будет отобран водород (его унесут специальные молекулы-переносчики), а свободные валентности атомов серы замкнутся друг на друга, образовав дисульфидный мостик -S-S-. Белок вполне может быть в нескольких местах "сшит" такими мостиками. Реакция их образования в принципе обратима - дисульфидные мостики могут возникать и рваться, это имеет значение в некоторых физиологических процессах.
Вот очень простая и наглядная схема взаимодействий между аминокислотными остатками, влияющих на пространственную структуру белка. Пептид A и пептид B - это, скорее всего, части одной и той же полипептидной цепочки, сложенной пополам; но это могут быть и две совершенно самостоятельные полипептидные цепочки в случае, если мы имеем дело с четвертичной структурой. Слева мы видим обычную водородную связь, образованную боковыми цепями серина и еще не встречавшейся нам протеиногенной аминокислоты, которая называется аспарагин (не путать с аспартатом). Дальше - гидрофобное взаимодействие между двумя остатками валина, еще дальше дисульфидный мостик, и наконец, справа - боковые цепи лизина и аспартата, между которыми в данном случае возникает самая настоящая ионная связь.
Еще раз отметим, что все перечисленные взаимодействия могут возникать как между разными полипептидными цепочками (это будет называться четвертичной структурой), так и внутри одной полипептидной цепочки (это будет вторичная или третичная структура).
Два самых распространенных типа вторичной структуры белка - α-спираль и β-слой. В целом вторичная структура характеризуется тремя особенностями:
● Держится в основном на водородных связях, входящих в состав пептидных групп (а не боковых цепей).
● Задействует аминокислоты, расположенные относительно близко друг от друга - например, в α-спирали водородные связи постоянно образуются между аминокислотными остатками с номерами n и (n+4), то есть каждый остаток образует водородную связь с остатком, четвертым по счету от него.
● Обладает высокой регулярностью. В α-спирали это сразу бросается в глаза, в β-слое, где водородные связи образуются между противоположно направленными цепочками, молекула белка должна быть несколько раз равномерно сложена.
Альфа-спираль энергетически особенно устойчива, в частности, за счет того, что внутри нее в образовании водородных связей принимают участие все пептидные группы без исключения.
Третичная структура держится на взаимодействиях между сколь угодно далекими (но принадлежащими к одной и той же цепи) остатками аминокислот и определяет, какую форму будет иметь молекула белка целиком. О том, какие взаимодействия создают третичную структуру, мы уже говорили: это водородные связи между боковыми цепями, гидрофобные взаимодействия и ионные связи (см. картинку).
На этой схеме тоже прекрасно показаны источники третичной структуры: (a) ионная связь, (b) водородная связь, (c) дисульфидный мостик, (d) гидрофобные связи, и в том числе очень интересный их вариант, который называется стэкинг-взаимодействием - слипание наложившихся друг на друга ароматических ядер. Полезно рассмотреть картинку повнимательнее и самостоятельно разобраться, какие аминокислоты здесь участвуют.
Ответ: глутамат, лизин (ионные связи), тирозин, аспартат (водородные связи), изолейцин, аланин (гидрофобные связи), фенилаланин (стэкинг-взаимодействие), цистеин (дисульфидный мостик). Два цистеина, соединенные ковалентной связью через серу, называются цистином. Кроме того, тут отмечено взаимодействие аминокислотных остатков с молекулами воды и углекислоты - и то и другое тоже бывает важно.
Вот полная пространственная структура одного совершенно случайно выбранного белка-глобулина, присутствующего в нашей крови. Это уже довольно реалистичная трехмерная схема. Альфа-спирали (спирали) и бета-слои (противоположно направленные стрелки) - элементы вторичной структуры; то, во что они собраны все вместе - третичная структура. Четвертичной структуры здесь нет.
Пример белка с четвертичной структурой - антитело из нашей иммунной системы. “Тяжелые” и “легкие” полипептидные цепи синтезируются отдельно, после чего сшиваются дисульфидными мостиками. Обозначения разных отрезков самих цепей нас не интересуют, но стоит обратить внимание, что тут по всем правилам указаны N- и C-концы.
Еще один пример белка с четвертичной структурой - гемоглобин. Он состоит из двух α-цепей и двух β-цепей, которые синтезируются отдельно. Вместе они удерживаются в основном за счет гидрофобных взаимодействий. Особенность гемоглобина - в его состав входит ион железа, образующий комплекс с особой группой, которая называется гемом и вовсе из аминокислот не состоит. Такие дополнительные группы - нечастое явление, но в сложных белках они встречаются.
Потеря белком своей пространственной структуры без разрушения пептидных связей (то есть первичной структуры) называется денатурацией. Самый простой способ денатурировать белок - нагреть его. Альтернативный вариант - например, высокая кислотность. Именно частичная денатурация белков происходит при любой термической обработке пищи, причем иногда этот процесс до некоторой степени обратим (при кипячении молока, например). Восстановление пространственной структуры денатурированного белка называется ренатурацией. Белок крутого яйца после полной денатурации растворенных там молекул белков становится твердым, потому что раскрученные полипептидные цепочки перепутываются между собой.
Очень важный биологический факт состоит в следующем: зная первичную структуру белка (то есть аминокислотную последовательность), теоретически можно точно предсказать его пространственную структуру всех уровней. Это достаточно успешно делается методами биофизики и биоинформатики. Иными словами, зная аминокислотную последовательность, мы тем самым получаем полную информацию о белке: при данной последовательности он, как правило, сворачивается всегда совершенно одинаково. Дальше мы увидим, какое огромное значение это имеет для устройства живых систем.
БЕЛКИ (продолжение)
Посмотрим на схему типичного пептида, в данном случае состоящего всего из пяти аминокислот. Надо заметить, что это очень мало. Длинные пептиды с многими десятками аминокислотных остатков (от 50 и больше) называются полипептидами. Все белки - полипептиды. Аминокислотных остатков в них чаще всего даже не десятки, а сотни. Порядок аминокислот в белке принято принято перечислять от N-конца (аминогруппа) к C-концу (карбоксил).
А теперь представим, что молекулу пептида бросили в воду. Очевидно, что она не останется там вытянутой в линию, а будет как-то сворачиваться. Иными словами, молекула белка в воде обязательно примет некоторую трехмерную форму (конформацию), которая будет зависеть от взаимодействий между ее частями и особенно между радикалами аминокислот. А ведь эти радикалы, как мы уже знаем, бывают очень разными.
Принято выделять четыре уровня структуры белка:
● Первичная структура - последовательность аминокислотных остатков, соединенных пептидными связями.
● Вторичная структура - взаимодействия между аминокислотами в составе одной и той же пептидной цепочки, расположенными близко (через считанные остатки друг от друга).
● Третичная структура - взаимодействия между аминокислотами в составе одной и той же пептидной цепочки, расположенными сколь угодно далеко, хоть на разных ее концах.
● Четвертичная структура - взаимодействия между разными пептидными цепочками, собранными в функциональный белок. Если белок состоит из одной полипептидной цепи, то четвертичной структуры у него нет.
Первичная структура одномерна, все остальные - трехмерны. К первичной структуре относятся пептидные связи, к остальным уровням - любые другие взаимодействия между аминокислотными остатками.
Первичная структура - это просто сама последовательность аминокислот, например: глицин, пролин, глицин, треонин, глицин, глутамат... и так далее. Показанный слева пептид из 24 аминокислот - условность, настоящие белки очень редко бывают такими маленькими. Показанный справа белок из 129 аминокислот - гораздо более типичная штука, хотя даже такой белок считается небольшим. В обоих случаях цепи нарисованы изогнутыми исключительно для удобства и наглядности, на самом деле с таким же успехом можно было бы просто перечислить аминокислоты в строчку (как это и делается в соответствующих базах данных).
Объемная структура белковой молекулы (вторичная, третичная и четвертичная) держится на следующих типах взаимодействий между аминокислотными остатками:
● Водородные связи (как между полярными боковыми цепями аминокислот, так и между пептидными группами).
● Электрическое притяжение между положительно и отрицательно заряженными боковыми цепями.
● Гидрофобные взаимодействия между углеводородными боковыми цепями. Напомним, что гидрофобными называются молекулы или части молекул, в которых нет полярных связей и которые поэтому плохо взаимодействуют с водой. А вот слипаться вместе, чтобы уменьшить поверхность собственного взаимодействия с водой, они как раз склонны. Такое слипание может быть довольно прочным - оно и называется гидрофобным взаимодействием или даже гидрофобной связью.
● Дисульфидные мостики между остатками аминокислоты цистеина.
Все эти взаимодействия, кроме дисульфидных мостиков - нековалентные. А вот о самих дисульфидных мостиках мы еще не говорили. Они образуются между остатками аминокислоты цистеина, боковая цепь которой имеет вид -CH2-SH. Уже после того, как белок синтезирован, между входящими в него остатками цистеина может произойти вот такая реакция:
У остатков цистеина будет отобран водород (его унесут специальные молекулы-переносчики), а свободные валентности атомов серы замкнутся друг на друга, образовав дисульфидный мостик -S-S-. Белок вполне может быть в нескольких местах "сшит" такими мостиками. Реакция их образования в принципе обратима - дисульфидные мостики могут возникать и рваться, это имеет значение в некоторых физиологических процессах.
Вот очень простая и наглядная схема взаимодействий между аминокислотными остатками, влияющих на пространственную структуру белка. Пептид A и пептид B - это, скорее всего, части одной и той же полипептидной цепочки, сложенной пополам; но это могут быть и две совершенно самостоятельные полипептидные цепочки в случае, если мы имеем дело с четвертичной структурой. Слева мы видим обычную водородную связь, образованную боковыми цепями серина и еще не встречавшейся нам протеиногенной аминокислоты, которая называется аспарагин (не путать с аспартатом). Дальше - гидрофобное взаимодействие между двумя остатками валина, еще дальше дисульфидный мостик, и наконец, справа - боковые цепи лизина и аспартата, между которыми в данном случае возникает самая настоящая ионная связь.
Еще раз отметим, что все перечисленные взаимодействия могут возникать как между разными полипептидными цепочками (это будет называться четвертичной структурой), так и внутри одной полипептидной цепочки (это будет вторичная или третичная структура).
Два самых распространенных типа вторичной структуры белка - α-спираль и β-слой. В целом вторичная структура характеризуется тремя особенностями:
● Держится в основном на водородных связях, входящих в состав пептидных групп (а не боковых цепей).
● Задействует аминокислоты, расположенные относительно близко друг от друга - например, в α-спирали водородные связи постоянно образуются между аминокислотными остатками с номерами n и (n+4), то есть каждый остаток образует водородную связь с остатком, четвертым по счету от него.
● Обладает высокой регулярностью. В α-спирали это сразу бросается в глаза, в β-слое, где водородные связи образуются между противоположно направленными цепочками, молекула белка должна быть несколько раз равномерно сложена.
Альфа-спираль энергетически особенно устойчива, в частности, за счет того, что внутри нее в образовании водородных связей принимают участие все пептидные группы без исключения.
Третичная структура держится на взаимодействиях между сколь угодно далекими (но принадлежащими к одной и той же цепи) остатками аминокислот и определяет, какую форму будет иметь молекула белка целиком. О том, какие взаимодействия создают третичную структуру, мы уже говорили: это водородные связи между боковыми цепями, гидрофобные взаимодействия и ионные связи (см. картинку).
На этой схеме тоже прекрасно показаны источники третичной структуры: (a) ионная связь, (b) водородная связь, (c) дисульфидный мостик, (d) гидрофобные связи, и в том числе очень интересный их вариант, который называется стэкинг-взаимодействием - слипание наложившихся друг на друга ароматических ядер. Полезно рассмотреть картинку повнимательнее и самостоятельно разобраться, какие аминокислоты здесь участвуют.
Ответ: глутамат, лизин (ионные связи), тирозин, аспартат (водородные связи), изолейцин, аланин (гидрофобные связи), фенилаланин (стэкинг-взаимодействие), цистеин (дисульфидный мостик). Два цистеина, соединенные ковалентной связью через серу, называются цистином. Кроме того, тут отмечено взаимодействие аминокислотных остатков с молекулами воды и углекислоты - и то и другое тоже бывает важно.
Вот полная пространственная структура одного совершенно случайно выбранного белка-глобулина, присутствующего в нашей крови. Это уже довольно реалистичная трехмерная схема. Альфа-спирали (спирали) и бета-слои (противоположно направленные стрелки) - элементы вторичной структуры; то, во что они собраны все вместе - третичная структура. Четвертичной структуры здесь нет.
Пример белка с четвертичной структурой - антитело из нашей иммунной системы. “Тяжелые” и “легкие” полипептидные цепи синтезируются отдельно, после чего сшиваются дисульфидными мостиками. Обозначения разных отрезков самих цепей нас не интересуют, но стоит обратить внимание, что тут по всем правилам указаны N- и C-концы.
Еще один пример белка с четвертичной структурой - гемоглобин. Он состоит из двух α-цепей и двух β-цепей, которые синтезируются отдельно. Вместе они удерживаются в основном за счет гидрофобных взаимодействий. Особенность гемоглобина - в его состав входит ион железа, образующий комплекс с особой группой, которая называется гемом и вовсе из аминокислот не состоит. Такие дополнительные группы - нечастое явление, но в сложных белках они встречаются.
Потеря белком своей пространственной структуры без разрушения пептидных связей (то есть первичной структуры) называется денатурацией. Самый простой способ денатурировать белок - нагреть его. Альтернативный вариант - например, высокая кислотность. Именно частичная денатурация белков происходит при любой термической обработке пищи, причем иногда этот процесс до некоторой степени обратим (при кипячении молока, например). Восстановление пространственной структуры денатурированного белка называется ренатурацией. Белок крутого яйца после полной денатурации растворенных там молекул белков становится твердым, потому что раскрученные полипептидные цепочки перепутываются между собой.
Очень важный биологический факт состоит в следующем: зная первичную структуру белка (то есть аминокислотную последовательность), теоретически можно точно предсказать его пространственную структуру всех уровней. Это достаточно успешно делается методами биофизики и биоинформатики. Иными словами, зная аминокислотную последовательность, мы тем самым получаем полную информацию о белке: при данной последовательности он, как правило, сворачивается всегда совершенно одинаково. Дальше мы увидим, какое огромное значение это имеет для устройства живых систем.