КЛАСИФІКАЦІЯ БІЛКІВ. БІОЛОГІЧНІ ФУНКЦІЇ БІЛКІВ

Складність будови білкових молекул і надзвичайна різноманітність їх функцій вкрай ускладнюють створення єдиної чіткої їх класифікації на якій-небудь одній основі. Білки можна класифікувати по їх складу (прості, складні), структурі (фібрилярні, глобулярні, проміжні), функцій. Розглянемо докладніше структурну класифікацію.

Фібрилярні білки сильно витягнуті (найбільш важлива вторинна структура) і виконують структурні функції.

Глобулярні білки, які в грубому наближенні можуть бути представлені у вигляді сфер (найбільш важливою є третинна структура), беруть участь в таких специфічних процесах, як каталіз, транспорт, регуляція.

Крім перерахованих вище типів білків, в організмі є невеликі або бідні вуглеводневими групами поліпептиди, які можуть самі по собі не мати фіксованого структури, але купувати її при взаємодії з іншими макромолекулами. Слід зазначити, що дана класифікація не може претендувати на повноту, так як існують білки, які не належать до жодного з цих класів. Наприклад, міозин, який за своєю структурою містить ознаки і фибриллярного і глобулярного білка.

Білок з вихідної, природної укладанням ланцюга, т. Е. Має тривимірну конфігурацію, називається нативним, білок з розгорнутою, безладної укладанням ланцюга - денатурірованньш. Перетворення нативного білка в денатурований, т. Е. Втрата білком його тривимірної конфігурації, називається денатурацією (рис. 3.15). Викликати денатурацію можуть різноманітні чинники. Зокрема, щільна укладка ланцюга білка зазвичай порушується при нагріванні. Теплова денатурація - загальне властивість білків. Після денатурації біологічно активний білок може мимоволі згорнутися в вихідну конформацію з відновленням своєї активності. Процес згортання денатурованого білка називається ренатурацією.

Денатурація білкової молекули

Мал. 3.15. Денатурація білкової молекули:

а - вихідний стан; б - що починається зворотне порушення молекулярної структури; в - необоротне розгортання поліпептидного ланцюга

При тривалому впливі денатурирующего агента (температури, хімічної речовини, середовища з різним pH) денатурація стає незворотною (на рис. 3.15 цей процес позначений стрілкою між станами білкової молекули б і в). Більшість білків денатуруючих при нагріванні їх розчинів вище 50-60 ° С.

Денатурований білок втрачає здатність розчинятися у воді. Найхарактернішою ознакою денатурації є різке зниження або повна втрата білком його біологічної активності (каталітичної, антигенної або гормональної). Той факт, що денатурований білок повністю втрачає свої біологічні властивості, підтверджує тісний зв'язок між структурою білкової молекули і функцією, яку вона виконує в організмі.

Здатність білкової молекули спонтанно ренатуріроваться при знятті зовнішнього агресивного впливу говорить про те, що амінокислотна послідовність сама визначає просторову структуру білка без участі будь-якого зовнішнього регулюючого центру.

В даний час денатурація і ренатурації глобулярних білків in vitro інтенсивно досліджуються, так як ці процеси пов'язані з проблемою самоорганізації білка, т. Е. З питанням про те, як білкова ланцюг «знаходить» свою унікальну структуру серед гігантського числа можливих альтернатив.

Фібрилярні білки складають основу не розчинні у воді і міцних матеріалів, таких як роги, копита, нігті, шерсть, волосся, пір'я, шкіра, сухожилля, міжклітинний речовина кісткової тканини. Волос - довге досить міцне волокно, основою якого є білок - а-кератин. В основі сухожиль інший білок - колаген. Еластичність і пружність стінок артерій або легеневих альвеол надає еластин. Спільною особливістю цих білків є участь у формуванні їх просторової структури ковалентних непептидним зв'язків.

Кератини волосся і вовни утворюють проміжні філа- менти, що складаються з довгих поліпептидних ланцюгів з великими доменами, освіченими а-спіралями і містять повторювані послідовності з семи амінокислотних залишків (гептапептид). Дві спрямовані однаково ланцюга кератину утворюють суперспіраль, в якій залишки неполярних амінокислот звернені всередину і тим самим захищені від впливу води. Така структура додатково стабілізується численними дисульфідними зв'язками, утвореними залишками цистеїну сусідніх ланцюгів. Суперспіральну димери, в свою чергу, об'єднуються з утворенням тетрамеров, подібних чотирижильного канату.

Колаген утворюється поза клітинами з секретується ними білка - проколагену, який перетворюється в колаген в результаті взаємодії відповідних ферментів. Молекула проколагену є потрійну суперспіраль, утворену трьома скрученими разом спеціалізованими полипептидами. Далі при відщепленні кінцевих поліпептидів утворюється тропоколагену, який упаковується в колагенові волокна. Кожен з трьох поліпептидів в тропоколлагене знаходиться в вигляді лівосторонньої спіралі (на відміну від звичайних правобічних а-спіралей у білків). Приблизно третина амінокислотних залишків в тропоколлагене представлена пролином, а кожен третій залишок - гліцином.

В ході утворення колагену багато залишки проліну і лізину в присутності аскорбінової кислоти гідроксилюється, перетворюючись відповідно в гидроксипролин і гідроксилізин:

Ці залишки виявляються включеними в білок не в ході його матричного синтезу, а в результаті хімічного посттрансляційних перетворення входять до його складу амінокислот. Гідро- ксілірованіе пролина вимагає в якості кофактора (небілкового компонента, необхідного для ефективної роботи) аскорбінову кислоту (вітамін С), яка потрібна для підтримки в відновленому стані іона Fe 2+ в активному центрі ферменту прот іл-гідроксил ази. При нестачі вітаміну С порушується утворення сполучних тканин, що викликає важке захворювання - цингу.

Три спірально навиті один на одного молекули тропоколлаге- на ковалентно пов'язані між собою, утворюючи міцну структуру. Така асоціація неможлива в звичайній білкової спіралі, так як цьому перешкоджають об'ємні бічні ланцюги. У коллагене спіралі більш витягнуті (на один виток припадає 3 залишку, замість 3,6), так як кожен третій амінокислотний залишок - гліцин, тому спіралі в цих точках максимально наближені один до одного. Додаткова стабілізація структури здійснюється водневими зв'язками гідроксильних залишків лізину і проліну.

Молекули тропоколагену містять близько 1000 амінокислотних залишків. Вони збираються в колагенові фібрили, стикуясь «голова до хвоста». Порожнечі в цій структурі при необхідності можуть служити місцем початкового відкладення кристалів гідроксиапатиту Са 5 (0Н) (Р0 4 ) з, що грає важливу роль в мінералізації кісток.

Колаген сухожиль піддається ферментативної модифікації - в кінцевих частинах тропоколлагенових ланцюгів ковалентно зшиваються залишки лізину. Таким чином, сухожилля є пучки паралельно орієнтованих фібрил. На відміну від сухожиль в шкірі колагенові фібрили утворюють подобу невпорядкованою двовимірної сітки.

Еластин за своєю будовою відрізняється від колагену і а- кератину. Він містить звичайні а-спіралі, що утворюють поперечно-зшиту мережу, яка своєю надзвичайно високою еластичністю зобов'язана унікальному способу зв'язування бічних ланцюгів лізину:

чотири зближених лізінових залишку

формують так звану десмозіновую структуру, що об'єднує в один вузол чотири ділянки пептидних ланцюгів (рис. 3.16).

Хімічна структура десмозіна

Мал. 3.16. Хімічна структура десмозіна

Глобулярні білки. Більшість білкових молекул в організмі має Глобулярна будова. Пептидний зв'язок в глобулярних білках в природному стані згорнута в компактні структури - глобули, які в першому грубому наближенні можуть бути представлені у вигляді кулі чи не надто витягнутого еліпсоїда, на відміну від фібрилярних білків, де довгі поліпептидні ланцюги витягнуті уздовж однієї осі.

Глобули стійкі у водних системах внаслідок того, що полярні групи основний і бічних ланцюгів зосереджені на поверхні, перебуваючи в контакті з водою, а неполярні звернені в глиб молекули і захищені від цього контакту. На поверхні білкової глобули іноді утворюються іонні зв'язку - сольові містки.

Що опинилися всередині глобули> NH і> С = 0-групи основному ланцюзі з утворилися водневими зв'язками формують в результаті а-спіралі і (3-шари. Дестабілізуючим фактором просторової упаковки є наявність в глибині глобули якихось груп, потенційно здатних утворювати іонні та водневі зв'язку, але реально позбавлених партнерів.

При фізіологічних умовах стан білка, що має нативну тривимірну структуру, термодинамічно стабільно, т. Е. Відповідає мінімуму вільної енергії. Інформація, необхідна для згортання білка в нативну конформацію, закладена в його амінокислотної послідовності. Тому в принципі теоретично можна передбачити тривимірну структуру будь-якого білка виходячи з його амінокислотної послідовності. Однак пророкування третинної структури залишається невирішеною проблемою молекулярної біології. Згортання молекули білка з розгорнутого стану повинно здійснюватися єдиним шляхом. Якщо припустити, що білкова молекула складається з 50 залишків, кожен з яких може приймати 10 різних конформацій, то загальне число можливих конформацій складе 10 50 , і якщо характерний час молекулярних перебудов становить 10 " 13 с, то для того, щоб перепробувати всі конформації, буде потрібно 10 37 с (~ Ю 30 років). Отже, існує спрямований шлях згортання білка.

Стабільність згорнутої молекули білка в водному оточенні вкрай низька. Основною рушійною силою згортання є ентропійний гідрофобний ефект, внаслідок якого неполярні групи прагнуть вийти з водного оточення і опинитися всередині глобули. Існує і зворотний ефект, що перешкоджає згортанню і обумовлений тим, що для згорнутої молекули білка число дозволених конформаций основний і бічних ланцюгів менше, ніж у розгорнутій.

Гемоглобін (нь) - білок, який переносить кисень від легенів до тканин. Нь локалізована в червоних кров'яних клітинах - еритроцитах.

Як вже зазначалося (див. Рис. 3.14), гемоглобін складається з чотирьох поліпептидних ланцюгів, кожна з яких містить гем (рис. 3.17). Функціональна взаємозв'язок цих ланцюгів така, що приєднання О2 до одного з атомів заліза підвищує спорідненість до кисню у трьох інших.

Гемоглобіни - це цілий клас білків, представники якого відрізняються одним-двома амінокислотними залишками або їх послідовністю. У дорослої людини гемоглобін типу НЬА. Крім НЬА, існує ембріональний гемоглобін HbF, що зникає після народження. Молекулярна маса обох гемоглобинов приблизно однакова (64 500), вони відрізняються тільки послідовністю амінокислотних залишків. Поряд з зазвичай наявними гемоглобінами в організмі людини зустрічаються аномальні HbS, HbG, НЬС, НЬН і т. Д. Спільність всіх гемоглобинов - в способі укладання їх поліпептидних ланцюгів навколо великого плоского кільця гема , ідентичного для всіх, в центрі якого знаходиться атом заліза (порфириновой кільце).

Г ем складається з атомів вуглецю, азоту і водню, що утворюють плоске кільце, зване порфіринів (рис. 3.17). У центрі кільця знаходиться атом Fe, пов'язаний з атомами кільця чотирма координаційними зв'язками (з шести можливих). До гему примикають два залишку гістидину (His). Імідозольная група гістидину (F-8) пов'язана координаційної зв'язком з атомом Fe через п'яту координаційну зв'язок. Шоста зв'язок служить для з'єднання з молекулою О2.

Хімічна структура гема

Мал. 3.17. Хімічна структура гема

Міоглобін - м'язовий білок, який переносить кисень в м'язових клітинах. Він складається з одного поліпептидного ланцюга, містить тільки а-спіралі, з'єднані петлями, і має один гем. Амінокислотна послідовність міоглобіну відрізняється від послідовностей a-ланцюгів гемоглобіну. Однак третинна структура a-ланцюгів гемоглобіну і міоглобіну ідентична. Загальний спосіб згортання а-спіралей глобулярних білків називається глобінових типом згортання.

 
Переглянути оригінал
< Попер   ЗМІСТ   ОРИГІНАЛ   Наст >