БЕЛКИ
БЕЛКИ (статья 1) – класс биологических полимеров, присутствующих в каждом живом организме. С участием белков проходят основные процессы, обеспечивающие жизнедеятельность организма: дыхание, пищеварение, мышечное сокращение, передача нервных импульсов. Костная ткань, кожный, волосяной покров, роговые образования живых существ состоят из белков. Для большинства млекопитающих рост и развитие организма происходит за счет продуктов, содержащих белки в качестве пищевого компонента. Роль белков в организме и, соответственно, их строение весьма разнообразно.
Состав белков.
Все белки представляют собой полимеры, цепи которых собраны из фрагментов аминокислот. Аминокислоты – это органические соединения, содержащие в своем составе (в соответствии с названием) аминогруппу NH2 и органическую кислотную, т.е. карбоксильную, группу СООН. Из всего многообразия существующих аминокислот (теоретически количество возможных аминокислот неограниченно) в образовании белков участвуют только такие, у которых между аминогруппой и карбоксильной группой – всего один углеродный атом. В общем виде аминокислоты, участвующие в образовании белков, могут быть представлены формулой: H2N–CH(R)–COOH. Группа R, присоединенная к атому углерода (тому, который находится между амино- и карбоксильной группой), определяет различие между аминокислотами, образующими белки. Эта группа может состоять только из атомов углерода и водорода, но чаще содержит помимо С и Н различные функциональные (способные к дальнейшим превращениям) группы, например, HO-, H2N- и др. Существует также вариант, когда R = Н.
В организмах живых существ содержится более 100 различных аминокислот, однако, в строительстве белков используются не все, а только 20, так называемых «фундаментальных». В табл. 1 приведены их названия (большинство названий сложилось исторически), структурная формула, а также широко применяемое сокращенное обозначение. Все структурные формулы расположены в таблице таким образом, чтобы основной фрагмент 
аминокислоты находился справа.
| Название | Структура | Обозначение |
| ГЛИЦИН |  |
ГЛИ |
| АЛАНИН |  |
АЛА |
| ВАЛИН |  |
ВАЛ |
| ЛЕЙЦИН |  |
ЛЕЙ |
| ИЗОЛЕЙЦИН |  |
ИЛЕ |
| СЕРИН |  |
СЕР |
| ТРЕОНИН |  |
ТРЕ |
| ЦИСТЕИН |  |
ЦИС |
| МЕТИОНИН |  |
МЕТ |
| ЛИЗИН |  |
ЛИЗ |
| АРГИНИН |  |
АРГ |
| АСПАРАГИНОВАЯ КИСЛОТА |  |
АСН |
| АСПАРАГИН |  |
АСН |
| ГЛУТАМИНОВАЯ КИСЛОТА |  |
ГЛУ |
| ГЛУТАМИН |  |
ГЛН |
| ФЕНИЛАЛАНИН |  |
ФЕН |
| ТИРОЗИН |  |
ТИР |
| ТРИПТОФАН |  |
ТРИ |
| ГИСТИДИН |  |
ГИС |
| ПРОЛИН |  |
ПРО |
| В международной практике принято сокращенное обозначение перечисленных аминокислот с помощью латинских трехбуквенных или однобуквенных сокращений, например, глицин – Gly или G, аланин – Ala или A. | ||
Среди этих двадцати аминокислот (табл. 1) только пролин содержит рядом с карбоксильной группой СООН группу NH (вместо NH2), так как она входит в состав циклического фрагмента.
Восемь аминокислот (валин, лейцин, изолейцин, треонин, метионин, лизин, фенилаланин и триптофан), помещенные в таблице на сером фоне, называют незаменимыми, поскольку организм для нормального роста и развития должен постоянно получать их с белковой пищей.
Белковая молекула образуется в результате последовательного соединения аминокислот, при этом карбоксильная группа одной кислоты взаимодействует с аминогруппой соседней молекулы, в результате образуется пептидная связь –CO–NH– и выделяется молекула воды. На рис. 1 показано последовательное соединение аланина, валина и глицина.
Рис. 1 ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ АМИНОКИСЛОТ при образовании белковой молекулы. В качестве основного направления полимерной цепи выбран путь от концевой аминогруппы H2N к концевой карбоксильной группе COOH.
Чтобы компактно описать строение белковой молекулы, используют сокращенные обозначения аминокислот (табл. 1, третий столбец), участвующих в образовании полимерной цепи. Фрагмент молекулы, показанный на рис. 1, записывают следующим образом: H2N-АЛА-ВАЛ-ГЛИ-COOH.
Белковые молекулы содержат от 50 до 1500 аминокислотных остатков (более короткие цепи называют полипептидами). Индивидуальность белка определяется набором аминокислот, из которых составлена полимерная цепь и, что не менее важно, порядком их чередования вдоль цепи. Например, молекула инсулина состоит из 51 аминокислотного остатка (это один из самых короткоцепных белков) и представляет собой две соединенных между собой параллельных цепи неодинаковой длины. Порядок чередования аминокислотных фрагментов показан на рис. 2.
Рис. 2 МОЛЕКУЛА ИНСУЛИНА, построенная из 51 аминокислотного остатка, фрагменты одинаковых аминокислот отмечены соответствующей окраской фона. Содержащиеся в цепи остатки аминокислоты цистеина (сокращенное обозначение ЦИС) образуют дисульфидные мостики –S-S-, которые связывают две полимерных молекулы, либо образуют перемычки внутри одной цепи.
Молекулы аминокислоты цистеина (табл. 1) содержат реакционно-способные сульфгидридные группы –SH, которые взаимодействуют между собой, образуя дисульфидные мостики –S-S-. Роль цистеина в мире белков особая, с его участием образуются поперечные сшивки между полимерными белковыми молекулами.
Объединение аминокислот в полимерную цепь происходит в живом организме под управлением нуклеиновых кислот, именно они обеспечивают строгий порядок сборки и регулируют фиксированную длину полимерной молекулы (см. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ).
Структура белков.
Состав белковой молекулы, представленный в виде чередующихся остатков аминокислот (рис. 2), называют первичной структурой белка. Между присутствующими в полимерной цепи имино-группами HN и карбонильными группами CO возникают водородные связи (см. ВОДОРОДНАЯ СВЯЗЬ), в результате молекула белка приобретает определенную пространственную форму, называемую вторичной структурой. Наиболее распространены два типа вторичной структуры белков.
Первый вариант, называемый α-спиралью, реализуется с помощью водородных связей внутри одной полимерной молекулы. Геометрические параметры молекулы, определяемые длинами связей и валентными углами, таковы, что образование водородных связей оказывается возможным для групп H-N и C=O, между которыми находятся два пептидных фрагмента H-N-C=O (рис. 3).
Рис. 3
Состав полипептидной цепи, показанной на рис. 3, записывают в сокращенном виде следующим образом:
H2N-АЛА ВАЛ-АЛА-ЛЕЙ-АЛА-АЛА-АЛА-АЛА-ВАЛ-АЛА-АЛА-АЛА-COOH.
В результате стягивающего действия водородных связей молекула приобретает форму спирали – так называемая α-спираль, ее изображают в виде изогнутой спиралевидной ленты, проходящей через атомы, образующие полимерную цепь (рис. 4)
Рис. 4 ОБЪЕМНАЯ МОДЕЛЬ МОЛЕКУЛЫ БЕЛКА в форме α-спирали. Водородные связи показаны зелеными пунктирными линиями. Цилиндрическая форма спирали видна при определенном угле поворота (атомы водорода на рисунке не показаны). Окраска отдельных атомов дана в соответствии с международными правилами, которые рекомендуют для атомов углерода черный цвет, для азота – синий, для кислорода – красный, для серы – желтый цвет (для не показанных на рисунке атомов водорода рекомендован белый цвет, в этом случае всю структуру изображают на темном фоне).
Другой вариант вторичной структуры, называемый β-структурой, образуется также при участии водородных связей, отличие состоит в том, что взаимодействуют группы H-N и C=O двух или более полимерных цепей, расположенных параллельно. Поскольку полипептидная цепь имеет направление (рис. 1), возможны варианты, когда направление цепей совпадает (параллельная β-структура, рис. 5), либо они противоположны (антипараллельная β-структура, рис. 6).
В образовании β-структуры могут участвовать полимерные цепи различного состава, при этом органические группы, обрамляющие полимерную цепь (Ph, CH2ОН и др.), в большинстве случаев играют второстепенную роль, решающее значение имеет взаиморасположение групп H-N и C=O. Поскольку относительно полимерной цепи H-N и C=O группы направлены в различные стороны (на рисунке – вверх и вниз), становится возможным одновременное взаимодействие трех и более цепей.
Состав первой полипептидной цепи на рис. 5:
H2N-ЛЕЙ-АЛА-ФЕН-ГЛИ-АЛА-АЛА-COOH
Состав второй и третей цепи:
H2N-ГЛИ-АЛА-СЕР-ГЛИ-ТРЕ-АЛА-COOH
Рис. 5
Состав полипептидных цепей, показанных на рис. 6, тот же, что и на рис. 5, отличие в том, что вторая цепь имеет противоположное (в сравнении с рис. 5) направление.
Рис. 6
Возможно образование β-структуры внутри одной молекулы, когда фрагмент цепи на определенном участке оказывается повернутым на 180°, в этом случае две ветви одной молекулы имеют противоположное направление, в результате образуется антипараллельная β-структура (рис. 7).
Рис. 7
Структура, показанная на рис. 7 в плоском изображении, представлена на рис. 8 в виде объемной модели. Участки β-структуры принято упрощенно обозначать плоской волнистой лентой, которая проходит через атомы, образующие полимерную цепь.
Рис. 8
В структуре многих белков чередуются участки α-спирали и лентообразные β-структуры, а также одиночные полипептидные цепи. Их взаиморасположение и чередование в полимерной цепи называют третичной структурой белка.
Способы изображения структуры белков показаны далее на примере растительного белка крамбина. Структурные формулы белков, содержащих часто до сотни аминокислотных фрагментов, сложны, громоздки и трудны для восприятия, поэтому иногда используют упрощенные структурные формулы – без символов химических элементов (рис. 9, вариант А), но при этом сохраняют окраску валентных штрихов в соответствии с международными правилами (рис. 4). Формулу при этом представляют не в плоском, а в пространственном изображении, что соответствует реальной структуре молекулы. Такой способ позволяет, например, различить дисульфидные мостики (подобные тем, которые есть в инсулине, рис. 2), фенильные группы в боковом обрамлении цепи и др. Изображение молекул в виде объемных моделей (шарики, соединенные стержнями) несколько более наглядно (рис. 9, вариант Б). Однако оба способа не позволяют показать третичную структуру, поэтому американский биофизик Джейн Ричардсон предложил изображать α-структуры в виде спирально закрученных лент (см. рис. 4), β-структуры – в виде плоских волнистых лент (рис. 8), а соединяющие их одиночные цепи – в форме тонких жгутов, каждый тип структуры имеет свою окраску. Сейчас широко применяют такой способ изображения третичной структуры белка (рис. 9, вариант В). Иногда для большей информативности показывают совместно третичную структуру и упрощенную структурную формулу (рис. 9, вариант Г). Есть и модификации способа, предложенного Ричардсоном: α-спирали изображают в виде цилиндров, а β-структуры – в форме плоских стрелок, указывающих и направление цепи (рис. 9, вариант Д). Менее распространен способ, при котором всю молекулу изображают в виде жгута, где неодинаковые структуры выделяют различающейся окраской, а дисульфидные мостики показывают в виде желтых перемычек (рис. 9, вариант Д).
Наиболее удобен для восприятия вариант В, когда при изображении третичной структуры особенности строения белка (аминокислотные фрагменты, порядок их чередования, водородные связи) не указывают, при этом исходят из того, что все белки содержат «детали», взятые из стандартного набора двадцати аминокислот (табл. 1). Основная задача при изображении третичной структуры – показать пространственное расположение и чередование вторичных структур.
Рис. 9 РАЗЛИЧНЫЕ ВАРИАНТЫ ИЗОБРАЖЕНИЯ СТРУКТУРЫ БЕЛКА КРАМБИНА.
А– структурная формула в пространственном изображении.
Б – структура в виде объемной модели.
В – третичная структура молекулы.
Г – сочетание вариантов А и В.
Д – упрощенное изображение третичной структуры.
Е – третичная структура с дисульфидными мостиками.
Наиболее удобна для восприятия объемная третичная структура (вариант В), освобожденная от деталей структурной формулы.
Белковая молекула, обладающая третичной структурой, как правило, принимает определенную конфигурацию, которую формируют полярные (электростатические) взаимодействия и водородные связи. В результате молекула приобретает форму компактного клубка – глобулярные белки (globules, лат. шарик), либо нитевидную – фибриллярные белки (fibra, лат. волокно).
Пример глобулярной структуры – белок альбумин, к классу альбуминов относят белок куриного яйца. Полимерная цепь альбумина собрана, основном, из аланина, аспаргиновой кислоты, глицина, и цистеина, чередующихся в определенном порядке. Третичная структура содержит α-спирали, соединенные одиночными цепями (рис. 10).
Рис. 10 ГЛОБУЛЯРНАЯ СТРУКТУРА АЛЬБУМИНА
Пример фибриллярной структуры – белок фиброин. Он содержат большое количество остатков глицина, аланина и серина (каждый второй аминокислотный остаток – глицин); остатки цистеина, содержащего сульфгидридные группы, отсутствуют. Фиброин – основной компонент натурального шелка и паутины, содержит β-структуры, соединенные одиночными цепями (рис. 11).
Рис. 11 ФИБРИЛЛЯРНЫЙ БЕЛОК ФИБРОИН
Возможность образования третичной структуры определенного типа заложена в первичной структуре белка, т.е. определена заранее порядком чередования аминокислотных остатков. Из определенных наборов таких остатков преимущественно возникают α-спирали (подобных наборов существует достаточно много), другой набор приводит к появлению β-структур, одиночные цепи характеризуются своим составом.
Некоторые белковые молекулы, сохраняя третичную структуру, способны объединяться в крупные надмолекулярные агрегаты, при этом их удерживают вместе полярные взаимодействия, а также водородные связи. Такие образования называют четвертичной структурой белка. Например, белок ферритин, состоящий в основной массе из лейцина, глутаминовой кислоты, аспарагиновой кислоты и гиститдина (в феррицине есть в различном количестве все 20 аминокислотных остатков) образует третичную структуру из четырех параллельно уложенных α-спиралей. При объединении молекул в единый ансамбль (рис. 12) образуется четвертичная структура, в которую может входить до 24 молекул ферритина.
Рис.12 ОБРАЗОВАНИЕ ЧЕТВЕРТИЧНОЙ СТРУКТУРЫ ГЛОБУЛЯРНОГО БЕЛКА ФЕРРИТИНА
Другой пример надмолекулярных образований – структура коллагена. Это фибриллярный белок, цепи которого построены в основном из глицина, чередующегося с пролином и лизином. Структура содержит одиночные цепи, тройные α-спирали, чередующиеся с лентообразными β-структурами, уложенными в виде параллельных пучков (рис. 13).
Рис.13 НАДМОЛЕКУЛЯРНАЯ СТРУКТУРА ФИБРИЛЛЯРНОГО БЕЛКА КОЛЛАГЕНА
Химические свойства белков.
При действии органических растворителей, продуктов жизнедеятельности некоторых бактерий (молочнокислое брожение) или при повышении температуры происходит разрушение вторичных и третичных структур без повреждения его первичной структуры, в результате белок теряет растворимость и утрачивает биологическую активность, этот процесс называют денатурацией, то есть потерей натуральных свойств, например, створаживание кислого молока, свернувшийся белок вареного куриного яйца. При повышенной температуре белки живых организмов (в частности, микроорганизмов) быстро денатурируют. Такие белки не способны участвовать в биологических процессах, в результате микроорганизмы погибают, поэтому кипяченое (или пастеризованное) молоко может дольше сохраняться.
Пептидные связи H-N-C=O, образующие полимерную цепь белковой молекулы, в присутствии кислот или щелочей гидролизуются, при этом происходит разрыв полимерной цепи, что, в конечном итоге, может привести к исходным аминокислотам. Пептидные связи, входящие в состав α-спиралей или β-структур, более устойчивы к гидролизу и различным химическим воздействиям (по сравнению с теми же связями в одиночных цепях). Более деликатную разборку белковой молекулы на составляющие аминокислоты проводят в безводной среде с помощью гидразина H2N–NH2, при этом все аминокислотные фрагменты, кроме последнего, образуют так называемые гидразиды карбоновых кислот, содержащие фрагмент C(O)–HN–NH2 (рис. 14).
Рис. 14. РАСЩЕПЛЕНИЕ ПОЛИПЕПТИДА
Подобный анализ может дать информацию об аминокислотном составе того или иного белка, однако важнее знать их последовательность в белковой молекуле. Одна из широко применяемых для этой цели методик – действие на полипептидную цепь фенилизотиоцианата (ФИТЦ), который в щелочной среде присоединяется к полипептиду (с того конца, который содержит аминогруппу), а при изменении реакции среды на кислую, отсоединяется от цепи, унося с собой фрагмент одной аминокислоты (рис. 15).
Рис. 15 ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ РАСЩЕПЛЕНИЕ ПОЛИПЕПТИДА
Разработано много специальных методик для подобного анализа, в том числе и такие, которые начинают «разбирать» белковую молекулу на составляющие компоненты, начиная с карбоксильного конца.
Поперечные дисульфидные мостики S-S (образовавшиеся при взаимодействии остатков цистеина, рис. 2 и 9) расщепляют, превращая их в HS-группы действием различных восстановителей. Действие окислителей (кислорода или перекиси водорода) приводит вновь к образованию дисульфидных мостиков (рис. 16).
Рис. 16. РАСЩЕПЛЕНИЕ ДИСУЛЬФИДНЫХ МОСТИКОВ
Для создания дополнительных поперечных сшивок в белках используют реакционную способность амино- и карбоксильных групп. Более доступны для различных взаимодействий аминогруппы, которые находятся в боковом обрамлении цепи – фрагменты лизина, аспарагина, лизина, пролина (табл. 1). При взаимодействии таких аминогрупп с формальдегидом идет процесс конденсации и возникают поперечные мостики –NH–CH2–NH– (рис. 17).
Рис. 17 СОЗДАНИЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ПОПЕРЕЧНЫХ МОСТИКОВ МЕЖДУ МОЛЕКУЛАМИ БЕЛКА.
Концевые карбоксильные группы белка способны реагировать с комплексными соединениями некоторых поливалентных металлов (чаще применяют соединения хрома), при этом также возникают поперечные сшивки. Оба процесса используются при дублении кожи.
Роль белков в организме.
Роль белков в организме разнообразна.
Ферменты (fermentatio лат. – брожение), другое их название – энзимы (en zumh греч. – в дрожжах) – это белки, обладающие каталитической активностью, они способны увеличивать скорости биохимических процессов в тысячи раз. Под действием ферментов составные компоненты пищи: белки, жиры и углеводы – расщепляются до более простых соединений, из которых затем синтезируются новые макромолекулы, необходимые организму определенного типа. Ферменты принимают участие и во многих биохимических процессах синтеза, например, в синтезе белков (одни белки помогают синтезировать другие). См. ФЕРМЕНТЫ
Ферменты не только высокоэффективные катализаторы, но и селективные (направляют реакцию строго в заданном направлении). В их присутствии реакция проходит практически со 100%-ным выходом без образования побочных продуктов и при этом условия протекания – мягкие: обычное атмосферное давление и температура живого организма. Для сравнения, синтез аммиака из водорода и азота в присутствии катализатора – активированного железа – проводят при 400–500° С и давлении 30 МПа, выход аммиака 15–25% за один цикл. Ферменты считаются непревзойденными катализаторами.
Интенсивное исследование ферментов началось в середине 19 в., сейчас изучено более 2000 различных ферментов, это самый многообразный класс белков.
Названия ферментов составляют следующим образом: к наименованию реагента, с которым взаимодействует фермент, или к названию катализируемой реакции добавляют окончание -аза, например, аргиназа разлагает аргинин (табл. 1), декарбоксилаза катализирует декарбоксилирование, т.е. отщепление СО2 от карбоксильной группы:
– СООН → – СН + СО2
Часто, для более точного обозначения роли фермента в его названии указывают и объект, и тип реакции, например, алкогольдегидрогеназа – фермент, осуществляющий дегидрирование спиртов.
Для некоторых ферментов, открытых достаточно давно, сохранилось историческое название (без окончания –аза), например, пепсин (pepsis, греч. пищеварение) и трипсин (thrypsis греч. разжижение), эти ферменты расщепляют белки.
Для систематизации ферменты объединяют в крупные классы, в основу классификации положен тип реакции, классы именуют по общему принципу – название реакции и окончание – аза. Далее перечислены некоторые из таких классов.
Оксидоредуктазы – ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции. Входящие в этот класс дегидрогеназы осуществляют перенос протона, например алкогольдегидрогеназа (АДГ) окисляет спирты до альдегидов, последующее окисление альдегидов до карбоновых кислот катализируют альдегиддегидрогеназы (АЛДГ). Оба процесса происходят в организме при переработке этанола в уксусную кислоту (рис. 18).
Рис. 18 ДВУХСТАДИЙНОЕ ОКИСЛЕНИЕ ЭТАНОЛА до уксусной кислоты
Наркотическим действием обладает не этанол, а промежуточный продукт ацетальдегид, чем ниже активность фермента АЛДГ, тем медленнее проходит вторая стадия – окисление ацетальдегида до уксусной кислоты и тем дольше и сильнее проявляется опьяняющее действие от приема внутрь этанола. Анализ показал, что более чем у 80% представителей желтой расы относительно низкая активность АЛДГ и потому заметно более тяжелая переносимость алкоголя. Причина такой врожденной пониженной активности АЛДГ состоит в том, что часть остатков глутаминовой кислоты в молекуле «ослабленной» АЛДГ заменена фрагментами лизина (табл. 1).
Трансферазы – ферменты, катализирующие перенос функциональных групп, например, трансиминаза катализирует перемещение аминогруппы.
Гидролазы – ферменты, катализирующие гидролиз. Упомянутые ранее трипсин и пепсин осуществляют гидролиз пептидных связей, а липазы расщепляют сложноэфирную связь в жирах:
–RС(О)ОR1 +Н2О → –RС(О)ОН + НОR1
Лиазы – ферменты, катализирующие реакции, которые проходят не гидролитическим путем, в результате таких реакций происходит разрыв связей С-С, С-О, С-N и образование новых связей. Фермент декарбоксилаза относится к этому классу
Изомеразы – ферменты, катализирующие изомеризацию, например, превращение малеиновой кислоты в фумаровую (рис. 19), это пример цис – транс изомеризации (см. ИЗОМЕРИЯ).
Рис. 19. ИЗОМЕРИЗАЦИЯ МАЛЕИНОВОЙ КИСЛОТЫ в фумаровую в присутствии фермента.
В работе ферментов соблюдается общий принцип, в соответствии с которым всегда есть структурное соответствие фермента и реагента ускоряемой реакции. По образному выражению одного из основателей учения о ферментах Э.Фишера, реагент подходит к ферменту, как ключ к замку. В связи с этим каждый фермент катализирует определенную химическую реакцию или группу реакций одного типа. Иногда фермент может действовать на одно единственное соединение, например, уреаза (uron греч. – моча) катализирует только гидролиз мочевины:
(H2N)2C = O + H2O = CO2 + 2NH3
Наиболее тонкую избирательность проявляют ферменты, различающие оптически активные антиподы – лево- и правовращающие изомеры. L-аргиназа действует только на левовращающий аргинин и не затрагивает правовращающий изомер. L-лактатдегидрогеназа действует только на левовращающие эфиры молочной кислоты, так называемые лактаты (lactis лат. молоко), в то время как D-лактатдегидрогеназа расщепляет исключительно D-лактаты.
Большая часть ферментов действует не на одно, а на группу родственных соединений, например, трипсин «предпочитает» расщеплять пептидные связи образованные лизином и аргинином (табл. 1.)
Каталитические свойства некоторых ферментов, таких как гидролазы, определяются исключительно строением самой белковой молекулы, другой класс ферментов – оксидоредуктазы (например, алкогольдегидрогеназа) могут проявлять активность только в присутствии связанных с ними небелковых молекул – витаминов, активирующих ионов Mg, Са, Zn, Мn и фрагментов нуклеиновых кислот (рис. 20).
Рис. 20 МОЛЕКУЛА АЛКОГОЛЬДЕГИДРОГЕНАЗЫ
Транспортные белки связывают и переносят различные молекулы или ионы через мембраны клеток (как внутрь клетки, так и вовне), а также от одного органа к другому.
Например, гемоглобин связывает кислород при прохождении крови через легкие и доставляет его к различным тканям организма, где кислород высвобождается и затем используется для окисления компонентов пищи, этот процесс служит источником энергии (иногда употребляют термин «сжигание» пищевых продуктов в организме).
Помимо белковой части гемоглобин содержит комплексное соединение железа с циклической молекулой порфирином (porphyros греч. – пурпур), что и обусловливает красный цвет крови. Именно этот комплекс (рис. 21, слева) играет роль переносчика кислорода. В гемоглобине порфириновый комплекс железа располагается внутри белковой молекулы и удерживается с помощью полярных взаимодействий, а также координационной связи с азотом в гистидине (табл. 1), входящем в состав белка. Молекула О2, которую переносит гемоглобин, присоединяется с помощью координационной связи к атому железа со стороны, противоположной той, к которой присоединен гистидин (рис. 21, справа).
Рис. 21 СТРОЕНИЕ КОМПЛЕКСА ЖЕЛЕЗА
Справа показано строение комплекса в форме объемной модели. Комплекс удерживается в белковой молекуле с помощью координационной связи (синий пунктир) между атомом Fe и атомом N в гистидине, входящим в состав белка. Молекула О2, которую переносит гемоглобин, присоединена координационно (красный пунктир) к атому Fe с противоположной страны плоского комплекса.
Гемоглобин – один из наиболее подробно изученных белков, он состоит из a-спиралей, соединенных одиночными цепями, и содержит в своем составе четыре комплекса железа. Таким образом, гемоглобин представляет собой как бы объемистую упаковку для переноса сразу четырех молекул кислорода. По форме гемоглобин соответствует глобулярным белкам (рис. 22).
Рис. 22 ГЛОБУЛЯРНАЯ ФОРМА ГЕМОГЛОБИНА
Основное «достоинство» гемоглобина состоит в том, что присоединение кислорода и последующее его отщепление при передаче различным тканям и органам проходит быстро. Монооксид углерода, СО (угарный газ), связывается с Fe в гемоглобине еще быстрее, но, в отличие от О2, образует трудно разрушающийся комплекс. В результате такой гемоглобин не способен связывать О2, что приводит (при вдыхании больших количеств угарного газа) к гибели организма от удушья.
Вторая функция гемоглобина – перенос выдыхаемого СО2, но в процессе временного связывания углекислоты участвует не атом железа, а H2N-группы белка.
«Работоспособность» белков зависит от их строения, например, замена единственного аминокислотного остатка глутаминовой кислоты в полипептидной цепи гемоглобина на остаток валина (изредка наблюдаемая врожденная аномалия) приводит к заболеванию, называемому серповидноклеточная анемия.
Существуют также транспортные белки, способные связывать жиры, глюкозу, аминокислоты и переносить их как внутрь, так и вовне клеток.
Транспортные белки особого типа не переносят сами вещества, а выполняют функции «транспортного регулировщика», пропуская определенные вещества сквозь мембрану (внешнюю стенку клетки). Такие белки чаще называют мембранными. Они имеют форму пустотелого цилиндра и, встраиваясь в стенку мембраны, обеспечивают перемещение некоторых полярных молекул или ионов внутрь клетки. Пример мембранного белка – порин (рис. 23).
Рис. 23 БЕЛОК ПОРИН
Пищевые и запасные белки, как следует из названия, служат источниками внутреннего питания, чаще для зародышей растений и животных, а также на ранних стадиях развития молодых организмов. К пищевым белкам относят альбумин (рис. 10) – основной компонент яичного белка, а также казеин – главный белок молока. Под действием фермента пепсина казеин в желудке створаживается, это обеспечивает его задержку в пищеварительном тракте и эффективное усвоение. Казеин содержит фрагменты всех аминокислот, необходимых организму.
В ферритине (рис. 12), который содержится в тканях животных, запасены ионы железа.
К запасным белкам относят также миоглобин, по составу и строению напоминающий гемоглобин. Миоглобин сосредоточен, главным образом, в мышцах, его основная роль – хранение кислорода, который ему отдает гемоглобин. Он быстро насыщается кислородом (намного быстрее, чем гемоглобин), а затем постепенно передает его различным тканям.
Структурные белки выполняют защитную функцию (кожный покров) или опорную – скрепляют организм в единое целое и придают ему прочность (хрящи и сухожилия). Их главным компонентом является фибриллярный белок коллаген (рис. 11), наиболее распространенный белок животного мира, в организме млекопитающих, на его долю приходится почти 30% от всей массы белков. Коллаген обладает высокой прочностью на разрыв (известна прочность кожи), но из-за малого содержания поперечных сшивок в коллагене кожи, шкуры животных мало пригодны в сыром виде для изготовления различных изделий. Чтобы уменьшить набухание кожи в воде, усадку при сушке, а также для увеличения прочности в обводненном состоянии и повышения упругости в коллагене создают дополнительные поперечные сшивки (рис. 15а), это, так называемый процесс дубления кожи.
В живых организмах молекулы коллагена, возникшие в процессе роста и развития организма, не обновляются и не замещаются заново синтезированными. По мере старения организма увеличивается количество поперечных сшивок в коллагене, что приводит к снижению его эластичности, а поскольку обновление не происходит, то проявляются возрастные изменения – увеличение хрупкости хрящей и сухожилий, появление морщин на коже.
В суставных связках содержится эластин – структурный белок, легко растягивающийся в двух измерениях. Наибольшей эластичностью обладает белок резилин, который находится в местах шарнирного прикрепления крыльев у некоторых насекомых.
Роговые образования – волосы, ногти, перья состоя, в основном, из белка кератина (рис. 24). Его основное отличие – заметное содержание остатков цистеина, образующего дисульфидные мостики, что придает высокую упругость (способность восстанавливать исходную форму после деформации) волосам, а также шерстяным тканям.
Рис. 24. ФРАГМЕНТ ФИБРИЛЛЯРНОГО БЕЛКА КЕРАТИНА
Для необратимого изменения формы кератинового объекта нужно вначале разрушить дисульфидные мостики с помощью восстановителя, придать новую форму, а затем вновь создать дисульфидные мостики с помощью окислителя (рис. 16), именно так делается, например, химическая завивка волос.
При увеличении содержания остатков цистеина в кератине и, соответственно, возрастании количества дисульфидных мостиков способность к деформации исчезает, но при этом появляется высокая прочность (в рогах копытных животных и панцирях черепах содержится до 18% цистеиновых фрагментов). В организме млекопитающих содержится до 30 различных типов кератина.
Родственный кератину фибриллярный белок фиброин, выделяемый гусеницами шелкопряда при завивке кокона, а также пауками при плетении паутины, содержит только β-структуры, соединенные одиночными цепями (рис. 11). В отличие от кератина, у фиброина нет поперечных дисульфидных мостиков, он обладает очень прочен на разрыв (прочность в расчете на единицу поперечного сечения у некоторых образцов паутины выше, чем у стальных тросов). Из-за отсутствия поперечных сшивок фиброин неупруг (известно, что шерстяные ткани почти несминаемы, а шелковые легко мнутся).
Регуляторные белки.
Регуляторные белки, чаще называемые гормонами, участвуют в различных физиологических процессах. Например, гормон инсулин (рис. 25) состоит из двух α-цепей, соединенных дисульфидными мостиками. Инсулин регулирует обменные процессы с участием глюкозы, его отсутствие ведет к диабету.
Рис. 25 БЕЛОК ИНСУЛИН
В гипофизе мозга синтезируется гормон, регулирующий рост организма. Существуют регуляторные белки, контролирующие биосинтез различных ферментов в организме.
Сократительные и двигательные белки придают организму способность сокращаться, изменять форму и перемещаться, прежде всего, речь идет о мышцах. 40% от массы всех белков, содержащихся в мышцах, составляет миозин (mys, myos, греч. – мышца). Его молекула содержит одновременно фибриллярную и глобулярную часть (рис. 26)
Рис. 26 МОЛЕКУЛА МИОЗИНА
Такие молекулы объединяются в крупные агрегаты, содержащие 300–400 молекул.
При изменении концентрации ионов кальция в пространстве, окружающем мышечные волокна, происходит обратимое изменение конформации молекул – изменение формы цепи за счет поворота отдельных фрагментов вокруг валентных связей. Это приводит к сокращению и расслаблению мышц, сигнал для изменения концентрации ионов кальция поступает от нервных окончаний в мышечных волокнах. Искусственное сокращение мышц можно вызвать действием электрических импульсов, приводящих к резкому изменению концентрации ионов кальция, на этом основана стимуляция сердечной мышцы для восстановления работы сердца.
Защитные белки позволяют уберечь организм от вторжения атакующих его бактерий, вирусов и от проникновения чужеродных белков (обобщенное название чужеродных тел – антигены). Роль защитных белков выполняют иммуноглобулины (другое их название – антитела), они распознают антигены, проникшие в организм, и прочно связываются с ними. В организме млекопитающих, включая человека, есть пять классов иммуноглобулинов: M, G, A, D и E, их структура, как следует из названия, глобулярная, кроме того, все они построены сходным образом. Молекулярная организация антител показана далее на примере иммуноглобулина класса G (рис. 27). Молекула содержит четыре полипептидные цепи, объединенные тремя дисульфидными мостиками S-S (на рис. 27 они показаны с утолщенными валентными связями и крупными символами S), кроме того, каждая полимерная цепь содержит внутрицепные дисульфидные перемычки. Две большие полимерные цепи (выделены синим цветом) содержат 400–600 аминокислотных остатков. Две другие цепи (выделены зеленым цветом) почти вдвое короче, они содержат приблизительно 220 аминокислотных остатков. Все четыре цепи расположены таким образом, что концевые H2N-группы направлены в одну сторону.
Рис. 27 СХЕМАТИЧЕСКОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ СТРУКТУРЫ ИММУНОГЛОБУЛИНА
После контакта организма с чужеродным белком (антигеном), клетки иммунной системы начинают вырабатывать иммуноглобулины (антитела), которые накапливаются в сыворотке крови. На первом этапе основную работу совершают участки цепей, содержащие концевые H2N (на рис. 27 соответствующие участки отмечены светло-синим и светло-зеленым цветом). Это области захвата антигенов. В процессе синтеза иммуноглобулина эти участки формируется таким образом, чтобы их строение и конфигурация максимально соответствовали структуре приблизившегося антигена (как ключ к замку, подобно ферментам, но задачи в данном случае иные). Таким образом, для каждого антигена в качестве иммунного ответа создается строго индивидуальное антитело. Столь «пластично» изменять строение в зависимости от внешних факторов, помимо иммуноглобулинов, не может ни один известный белок. Ферменты решают задачу структурного соответствия реагенту иным путем – с помощью гигантского набора разнообразных ферментов в расчете на все возможные случаи, а иммуноглобулины каждый раз заново перестраивают «рабочий инструмент». Сверх того, шарнирный участок иммуноглобулина (рис. 27) обеспечивает двум областям захвата некоторую независимую подвижность, в результате молекула иммуноглобулина может «найти» сразу два наиболее удобных для захвата участка в антигене с тем, чтобы его надежно зафиксировать, это напоминает действия ракообразного существа.
Далее включается цепь последовательных реакций иммунной системы организма, подключаются иммуноглобулины других классов, в результате происходит дезактивация чужеродного белка, а затем уничтожение и удаление антигена (постороннего микроорганизма или токсина).
После контакта с антигеном максимальная концентрация иммуноглобулина достигается (в зависимости от природы антигена и индивидуальных особенностей самого организма) в течение нескольких часов (иногда нескольких дней). Организм сохраняет память о таком контакте, и при повторной атаке таким же антигеном иммуноглобулины накапливаются в сыворотке крови значительно быстрее и в большем количестве – возникает приобретенный иммунитет.
Приведенная классификация белков носит в определенной степени условный характер, например белок тромбин, упомянутый среди защитных белков, по существу представляет собой фермент, катализирующий гидролиз пептидных связей, то есть, относится к классу протеаз.
К защитным белкам часто относят белки змеиного яда и токсичные белки некоторых растений, поскольку их задача – уберечь организм от повреждений.
Есть белки, функции которых настолько уникальны, что это затрудняет их классификацию. Например, белок монеллин, содержащийся в одном из африканских растений, – очень сладкий на вкус, он стал предметом изучения как нетоксичное вещество, которое может быть использовано вместо сахара для предотвращения ожирения. Плазма крови некоторых антарктических рыб содержит белки со свойствами антифриза, который предохраняет кровь этих рыб от замерзания.
Искусственный синтез белков.
Конденсация аминокислот, приводящая к полипептидной цепи, представляет собой хорошо изученный процесс. Можно провести, например, конденсацию какой – либо одной аминокислоты или смеси кислот и получить, соответственно, полимер, содержащий одинаковые звенья, либо различные звенья, чередующиеся в случайном порядке. Такие полимеры мало похожи на природные полипептиды и не обладают биологической активностью. Основная задача состоит в том, чтобы соединять аминокислоты в строго определенном, заранее намеченном порядке, чтобы воспроизвести последовательность аминокислотных остатков в природных белках. Американский ученый Роберт Меррифилд предложил оригинальный метод, позволивший решить такую задачу. Сущность метода состоит в том, что первую аминокислоту присоединяют к нерастворимому полимерному гелю, который содержит реакционно-способные группы, способные соединяться с –СООН – группами аминокислоты. В качестве такой полимерной подложки был взят сшитый полистирол с введенными в него хлорметильными группами. Чтобы взятая для реакции аминокислота не прореагировала сама с собой и чтобы она не присоединилась H2N-группой к подложке, аминогруппу этой кислоты предварительно блокируют объемистым заместителем [(С4Н9)3]3ОС(О)-группой. После того, как аминокислота присоединилась к полимерной подложке, блокирующую группу удаляют и в реакционную смесь вводят другую аминокислоту, у которой также предварительно заблокирована H2N-группа. В такой системе возможно только взаимодействие H2N-группы первой аминокислоты и группы –СООН второй кислоты, которое проводят в присутствии катализаторов (солей фосфония). Далее всю схему повторяют, вводя третью аминокислоту (рис. 28).
Рис. 28. СХЕМА СИНТЕЗА ПОЛИПЕПТИДНЫХ ЦЕПЕЙ
На последней стадии полученные полипептидные цепи отделяют от полистирольной подложки. Сейчас весь процесс автоматизирован, существуют автоматические синтезаторы пептидов, действующие по описанной схеме. Таким методом синтезировано множество пептидов, используемых в медицине и сельском хозяйстве. Удалось также получить улучшенные аналоги природных пептидов с избирательным и усиленным действием. Синтезированы некоторые небольшие белки, например гормон инсулина и некоторые ферменты.
Существуют также методы синтеза белков, копирующие природные процессы: синтезируют фрагменты нуклеиновых кислот, настроенных на получение определенных белков, затем эти фрагменты встраивают в живой организм (например, в бактерию), после чего организм начинает вырабатывать нужный белок. Таким способом сейчас получают значительные количества труднодоступных белков и пептидов, а также их аналогов.
Белки как источники питания.
Белки в живом организме постоянно расщепляются на исходные аминокислоты (с непременным участием ферментов), одни аминокислоты переходят в другие, затем белки вновь синтезируются (также с участием ферментов), т.е. организм постоянно обновляется. Некоторые белки (коллаген кожи, волос) не обновляются, организм непрерывно их теряет и взамен синтезирует новые. Белки как источники питания выполняют две основные функции: они поставляют в организм строительный материал для синтеза новых белковых молекул и, кроме того, снабжают организм энергией (источники калорий).
Плотоядные млекопитающие (в том числе и человек) получают необходимые белки с растительной и животной пищей. Ни один из полученных с пищей белков не встраивается в организм в неизменном виде. В пищеварительном тракте все поглощенные белки расщепляются до аминокислот, и уже из них строятся белки, необходимые конкретному организму, при этом из 8 незаменимых кислот (табл. 1) в организме могут синтезироваться остальные 12, если они не поступают в достаточном количестве с пищей, но незаменимые кислоты должны поступать с пищей непременно. Атомы серы в цистеине организм получает с незаменимой аминокислотой – метионином. Часть белков распадается, выделяя энергию, необходимую для поддержания жизнедеятельности, а содержавшийся в них азот выводится из организма с мочой. Обычно организм человека теряет 25–30 г. белка в сутки, поэтому белковая пища должны постоянно присутствовать в нужном количестве. Минимальная суточная потребность в белке составляет у мужчин 37 г, у женщин 29 г, однако рекомендованные нормы потребления почти вдвое выше. При оценке пищевых продуктов важно учитывать качество белка. При отсутствии или низком содержании незаменимых аминокислот белок считается малоценным, поэтому такие белки должны потребляться в большем количестве. Так, белки бобовых культур содержат мало метионина, а в белках пшеницы и кукурузы низкое содержанием лизина (обе аминокислоты незаменимые). Животные белки (исключая коллагены) относят к полноценным пищевым продуктам. Полный набор всех незаменимых кислот содержит казеин молока, а также приготовляемые из него творог и сыр, поэтому вегетарианская диета, в том случае, если она очень строгая, т.е. «безмолочная», требует усиленного потребления бобовых культур, орехов и грибов для снабжения организма незаменимыми аминокислотами в нужном количестве.
Синтетические аминокислоты и белки используют и как пищевые продукты, добавляя их в корма, которые содержат незаменимые аминокислоты в малом количестве. Существуют бактерии, которые могут перерабатывать и усваивать углеводороды нефти, в этом случае для полноценного синтеза белков их нужно подкармливать азотсодержащими соединениями (аммиак или нитраты). Получаемый таким способом белок используют в качестве корма для скота и домашней птицы. В комбикорм домашних животных часто добавляют набор ферментов – карбогидраз, которые катализируют гидролиз трудно разлагаемых компонентов углеводной пищи (клеточные стенки зерновых культур), в результате чего растительная пища усваивается более полно.
Михаил Левицкий
БЕЛКИ (статья 2)
(протеины), класс сложных азотсодержащих соединений, наиболее характерных и важных (наряду с нуклеиновыми кислотами) компонентов живого вещества. Белки выполняют многочисленные и разнообразные функции. Большинство белков – ферменты, катализирующие химические реакции. Многие гормоны, регулирующие физиологические процессы, тоже являются белками. Такие структурные белки, как коллаген и кератин, служат главными компонентами костной ткани, волос и ногтей. Сократительные белки мышц обладают способностью изменять свою длину, используя химическую энергию для выполнения механической работы. К белкам относятся антитела, которые связывают и нейтрализуют токсичные вещества. Некоторые белки, способные реагировать на внешние воздействия (свет, запах), служат в органах чувств рецепторами, воспринимающими раздражение. Многие белки, расположенные внутри клетки и на клеточной мембране, выполняют регуляторные функции.
В первой половине 19 в. многие химики, и среди них в первую очередь Ю.фон Либих, постепенно пришли к выводу, что белки представляют собой особый класс азотистых соединений. Название «протеины» (от греч. protos – первый) предложил в 1840 голландский химик Г.Мульдер.
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Белки в твердом состоянии белого цвета, а в растворе бесцветны, если только они не несут какой-нибудь хромофорной (окрашенной) группы, как, например, гемоглобин. Растворимость в воде у разных белков сильно варьирует. Она изменяется также в зависимости от рН и от концентрации солей в растворе, так что можно подобрать условия, при которых один какой-нибудь белок будет избирательно осаждаться в присутствии других белков. Этот метод «высаливания» широко используется для выделения и очистки белков. Очищенный белок часто выпадает в осадок из раствора в виде кристаллов.
В сравнении с другими соединениями молекулярная масса белков очень велика – от нескольких тысяч до многих миллионов дальтон. Поэтому при ультрацентрифугировании белки осаждаются, и притом с разной скоростью. Благодаря присутствию в молекулах белков положительно и отрицательно заряженных групп они движутся с разной скоростью и в электрическом поле. На этом основан электрофорез – метод, применяемый для выделения индивидуальных белков из сложных смесей. Очистку белков проводят и методом хроматографии.
ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Строение.
Белки – это полимеры, т.е. молекулы, построенные, как цепи, из повторяющихся мономерных звеньев, или субъединиц, роль которых играют у них aльфа-аминокислоты. Общая формула аминокислот
где R – атом водорода или какая-нибудь органическая группа.
Белковая молекула (полипептидная цепь) может состоять всего лишь из относительно небольшого числа аминокислот или из нескольких тысяч мономерных звеньев. Соединение аминокислот в цепи возможно потому, что у каждой из них имеются две разные химические группы: обладающая основными свойствами аминогруппа, NH2, и кислотная карбоксильная группа, СООН. Обе эти группы присоединены к a-атому углерода. Карбоксильная группа одной аминокислоты может образовать амидную (пептидную) связь с аминогруппой другой аминокислоты:
После того как две аминокислоты таким образом соединились, цепь может наращиваться путем добавления ко второй аминокислоте третьей и т.д. Как видно из приведенного выше уравнения, при образовании пептидной связи выделяется молекула воды. В присутствии кислот, щелочей или протеолитических ферментов реакция идет в обратном направлении: полипептидная цепь расщепляется на аминокислоты с присоединением воды. Такая реакция называется гидролизом. Гидролиз протекает спонтанно, а для соединения аминокислот в полипептидную цепь требуется энергия.
Карбоксильная группа и амидная группа (или сходная с ней имидная – в случае аминокислоты пролина) имеются у всех аминокислот, различия же между аминокислотами определяются природой той группы, или «боковой цепи», которая обозначена выше буквой R. Роль боковой цепи может играть и один атом водорода, как у аминокислоты глицина, и какая-нибудь объемистая группировка, как у гистидина и триптофана. Некоторые боковые цепи в химическом смысле инертны, тогда как другие обладают заметной реакционной способностью.
Синтезировать можно многие тысячи различных аминокислот, и множество различных аминокислот встречается в природе, но для синтеза белков используется только 20 видов аминокислот: аланин, аргинин, аспарагин, аспарагиновая кислота, валин, гистидин, глицин, глутамин, глутаминовая кислота, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, пролин, серин, тирозин, треонин, триптофан, фенилаланин и цистеин (в белках цистеин может присутствовать в виде димера – цистина). Правда, в некоторых белках присутствуют и другие аминокислоты, помимо регулярно встречающихся двадцати, но они образуются в результате модификации какой-нибудь из двадцати перечисленных уже после того, как она включилась в белок.
Оптическая активность.
У всех аминокислот, за исключением глицина, к α-атому углерода присоединены четыре разные группы. С точки зрения геометрии, четыре разные группы могут быть присоединены двумя способами, и соответственно есть две возможные конфигурации, или два изомера, относящиеся друг к другу, как предмет к своему зеркальному отражению, т.е. как левая рука к правой. Одну конфигурацию называют левой, или левовращающей (L), а другую – правой, или правовращающей (D), поскольку два таких изомера различаются направлением вращения плоскости поляризованного света. В белках встречаются только L-аминокислоты (исключение составляет глицин; он может быть представлен лишь одной формой, поскольку у него две из четырех групп одинаковы), и все они обладают оптической активностью (поскольку имеется только один изомер). D-аминокислоты в природе редки; они встречаются в некоторых антибиотиках и клеточной оболочке бактерий.
Последовательность аминокислот.
Аминокислоты в полипептидной цепи располагаются не случайным образом, а в определенном фиксированном порядке, и именно этот порядок определяет функции и свойства белка. Варьируя порядок расположения 20 видов аминокислот, можно получить огромное число разных белков, точно так же, как из букв алфавита можно составить множество разных текстов.
В прошлом на определение аминокислотной последовательности какого-нибудь белка уходило нередко несколько лет. Прямое определение и теперь достаточно трудоемкое дело, хотя созданы приборы, позволяющие вести его автоматически. Обычно проще бывает определить нуклеотидную последовательность соответствующего гена и вывести из нее аминокислотную последовательность белка. К настоящему времени уже определены аминокислотные последовательности многих сотен белков. Функции расшифрованных белков, как правило, известны, и это помогает представить себе возможные функции сходных белков, образующихся, например, при злокачественных новообразованиях.
Сложные белки.
Белки, состоящие из одних только аминокислот, называют простыми. Часто, однако, к полипептидной цепи бывают присоединены атом металла или какое-нибудь химическое соединение, не являющееся аминокислотой. Такие белки называются сложными. Примером может служить гемоглобин: он содержит железопорфирин, который определяет его красный цвет и позволяет ему играть роль переносчика кислорода.
В названиях большинства сложных белков содержится указание на природу присоединенных групп: в гликопротеинах присутствуют сахара, в липопротеинах – жиры. Если от присоединенной группы зависит каталитическая активность фермента, то ее называют простетической группой. Нередко какой-нибудь витамин играет роль простетической группы или входит в ее состав. Витамин А, например, присоединенный к одному из белков сетчатки, определяет ее чувствительность к свету.
Третичная структура.
Важна не столько сама аминокислотная последовательность белка (первичная структура), сколько способ ее укладки в пространстве. По всей длине полипептидной цепи ионы водорода образуют регулярные водородные связи, которые придают ей форму спирали либо слоя (вторичная структура). Из комбинации таких спиралей и слоев возникает компактная форма следующего порядка – третичная структура белка. Вокруг связей, удерживающих мономерные звенья цепи, возможны повороты на небольшие углы. Поэтому с чисто геометрической точки зрения число возможных конфигураций для любой полипептидной цепи бесконечно велико. В действительности же каждый белок существует в норме только в одной конфигурации, определяемой его аминокислотной последовательностью. Структура эта не жесткая, она как бы «дышит» – колеблется вокруг некой средней конфигурации. Цепь складывается в такую конфигурацию, при которой свободная энергия (способность производить работу) минимальна, подобно тому как отпущенная пружина сжимается лишь до состояния, соответствующего минимуму свободной энергии. Нередко одна часть цепи бывает жестко сцеплена с другой дисульфидными (–S–S–) связями между двумя остатками цистеина. Отчасти именно поэтому цистеин среди аминокислот играет особо важную роль.
Сложность строения белков столь велика, что пока еще невозможно вычислить третичную структуру белка, если даже известна его аминокислотная последовательность. Но если удается получить кристаллы белка, то его третичную структуру можно определить по дифракции рентгеновских лучей.
У структурных, сократительных и некоторых других белков цепи вытянуты и несколько лежащих рядом слегка свернутых цепей образуют фибриллы; фибриллы, в свою очередь, складываются в более крупные образования – волокна. Однако большинство белков в растворе имеет глобулярную форму: цепи свернуты в глобуле, как пряжа в клубке. Свободная энергия при такой конфигурации минимальна, поскольку гидрофобные («отталкивающие воду») аминокислоты скрыты внутри глобулы, а гидрофильные («притягивающие воду») находятся на ее поверхности.
Многие белки – это комплексы из нескольких полипептидных цепей. Такое строение называется четвертичной структурой белка. Молекула гемоглобина, например, состоит из четырех субъединиц, каждая из которых представляет собой глобулярный белок.
Структурные белки благодаря своей линейной конфигурации образуют волокна, у которых предел прочности на разрыв очень высок, глобулярная же конфигурация позволяет белкам вступать в специфические взаимодействия с другими соединениями. На поверхности глобулы при правильной укладке цепей возникают определенной формы полости, в которых размещены реакционноспособные химические группы. Если данный белок – фермент, то другая, обычно меньшая, молекула какого-то вещества входит в такую полость подобно тому, как ключ входит в замок; при этом меняется конфигурация электронного облака молекулы под влиянием находящихся в полости химических групп, и это вынуждает ее определенным образом реагировать. Таким способом фермент катализирует реакцию. В молекулах антител тоже имеются полости, в которых различные чужеродные вещества связываются и тем самым обезвреживаются. Модель «ключа и замка», объясняющая взаимодействие белков с другими соединениями, позволяет понять специфичность ферментов и антител, т.е. их способность реагировать только с определенными соединениями.
Белки у разных видов организмов.
Белки, выполняющие одну и ту же функцию у разных видов растений и животных и потому носящие одно и то же название, имеют и сходную конфигурацию. Они, однако, несколько различаются по своей аминокислотной последовательности. По мере того как виды дивергируют от общего предка, некоторые аминокислоты в определенных положениях замещаются в результате мутаций другими. Вредные мутации, являющиеся причиной наследственных болезней, выбраковываются естественным отбором, но полезные или по крайней мере нейтральные могут сохраняться. Чем ближе друг к другу два каких-нибудь биологических вида, тем меньше различий обнаруживается в их белках.
Некоторые белки меняются относительно быстро, другие весьма консервативны. К последним принадлежит, например, цитохром с – дыхательный фермент, имеющийся у большинства живых организмов. У человека и шимпанзе его аминокислотные последовательности идентичны, а в цитохроме с пшеницы иными оказались лишь 38% аминокислот. Даже сравнивая человека и бактерии, сходство цитохромов с (различия затрагивают здесь 65% аминокислот) все еще можно заметить, хотя общий предок бактерии и человека жил на Земле около двух миллиардов лет назад. В наше время сравнение аминокислотных последовательностей часто используют для построения филогенетического (генеалогического) древа, отражающего эволюционные связи между разными организмами.
Денатурация.
Синтезированная молекула белка, складываясь, приобретает свойственную ей конфигурацию. Эта конфигурация, однако, может разрушиться при нагревании, при изменении рН, под действием органических растворителей и даже при простом взбалтывании раствора до появления на его поверхности пузырьков. Измененный таким образом белок называют денатурированным; он утрачивает свою биологическую активность и обычно становится нерастворимым. Хорошо знакомые всем примеры денатурированного белка – вареные яйца или взбитые сливки. Небольшие белки, содержащие всего лишь около сотни аминокислот, способны ренатурировать, т.е. вновь приобретать исходную конфигурацию. Но большинство белков превращается при этом просто в массу спутанных полипептидных цепей и прежнюю конфигурацию не восстанавливает.
Одна из главных трудностей при выделении активных белков связана с их крайней чувствительностью к денатурации. Полезное применение это свойство белков находит при консервировании пищевых продуктов: высокая температура необратимо денатурирует ферменты микроорганизмов, и микроорганизмы погибают.
СИНТЕЗ БЕЛКОВ
Для синтеза белка живой организм должен располагать системой ферментов, способных присоединять одну аминокислоту к другой. Необходим также источник информации, которая бы определяла, какие именно аминокислоты следует соединять. Поскольку в организме имеются тысячи видов белков и каждый из них состоит в среднем из нескольких сотен аминокислот, необходимая информация должна быть поистине огромной. Хранится она (подобно тому, как хранится запись на магнитной ленте) в молекулах нуклеиновых кислот, из которых состоят гены.
Активация ферментов.
Синтезированная из аминокислот полипептидная цепь – это далеко не всегда белок в его окончательной форме. Многие ферменты синтезируются сначала в виде неактивных предшественников и переходят в активную форму лишь после того, как другой фермент удалит на одном из концов цепи несколько аминокислот. В такой неактивной форме синтезируются некоторые из пищеварительных ферментов, например трипсин; эти ферменты активируются в пищеварительном тракте в результате удаления концевого фрагмента цепи. Гормон инсулин, молекула которого в активной форме состоит из двух коротких цепей, синтезируется в виде одной цепи, т.н. проинсулина. Затем средняя часть этой цепи удаляется, а оставшиеся фрагменты связываются друг с другом, образуя активную молекулу гормона. Сложные белки образуются лишь после того, как к белку будет присоединена определенная химическая группа, а для этого присоединения часто тоже требуется фермент.
Метаболический кругооборот.
После скармливания животному аминокислот, меченных радиоактивными изотопами углерода, азота или водорода, метка быстро включается в его белки. Если меченые аминокислоты перестают поступать в организм, то количество метки в белках начинает снижаться. Эти эксперименты показывают, что образовавшиеся белки не сохраняются в организме до конца жизни. Все они, за немногими исключениями, находятся в динамичном состоянии, постоянно распадаются до аминокислот, а затем вновь синтезируются.
Некоторые белки распадаются, когда гибнут и разрушаются клетки. Это постоянно происходит, например, с эритроцитами и клетками эпителия, выстилающего внутреннюю поверхность кишечника. Кроме того, распад и ресинтез белков протекают и в живых клетках. Как ни странно, о распаде белков известно меньше, чем об их синтезе. Ясно, однако, что в распаде участвуют протеолитические ферменты, сходные с теми, которые расщепляют белки до аминокислот в пищеварительном тракте.
Период полураспада у разных белков различен – от нескольких часов до многих месяцев. Единственное исключение – молекулы коллагена. Однажды образовавшись, они остаются стабильными, не обновляются и не замещаются. Со временем, однако, меняются некоторые их свойства, в частности эластичность, а поскольку они не обновляются, следствием этого оказываются определенные возрастные изменения, например появление морщин на коже.
Синтетические белки.
Химики давно уже научились полимеризовать аминокислоты, но аминокислоты соединяются при этом неупорядоченно, так что продукты такой полимеризации мало похожи на природные. Правда, имеется возможность соединять аминокислоты в заданном порядке, что позволяет получать некоторые биологически активные белки, в частности инсулин. Процесс достаточно сложен, и таким способом удается получать лишь те белки, в молекулах которых содержится около сотни аминокислот. Предпочтительнее вместо этого синтезировать или выделить нуклеотидную последовательность гена, соответствующую желаемой аминокислотной последовательности, а затем ввести этот ген в бактерию, которая и будет вырабатывать путем репликации большое количество нужного продукта. У этого метода, впрочем, тоже есть свои недостатки.
БЕЛКИ И ПИТАНИЕ
Когда белки в организме распадаются до аминокислот, эти аминокислоты могут быть снова использованы для синтеза белков. В то же время и сами аминокислоты подвержены распаду, так что они реутилизируются не полностью. Ясно также, что в период роста, при беременности и заживлении ран синтез белков должен превышать распад. Некоторые же белки организм непрерывно теряет; это белки волос, ногтей и поверхностного слоя кожи. Поэтому для синтеза белков каждый организм должен получать аминокислоты с пищей.
Источники аминокислот.
Зеленые растения синтезируют из СО2, воды и аммиака или нитратов все 20 аминокислот, встречающихся в белках. Многие бактерии тоже способны синтезировать аминокислоты при наличии сахара (или какого-нибудь его эквивалента) и фиксированного азота, но и сахар, в конечном счете, поставляется зелеными растениями. У животных способность к синтезу аминокислот ограниченна; они получают аминокислоты, поедая зеленые растения или других животных. В пищеварительном тракте поглощенные белки расщепляются до аминокислот, последние всасываются, и уже из них строятся белки, характерные для данного организма. Ни один поглощенный белок не включается в структуры тела как таковой. Единственное исключение заключается в том, что у многих млекопитающих часть материнских антител может в интактном виде попасть через плаценту в кровоток плода, а через материнское молоко (особенно у жвачных) быть передано новорожденному сразу же после его появления на свет.
Потребность в белках.
Ясно, что для поддержания жизни организм должен получать с пищей некоторое количество белков. Однако размеры этой потребности зависят от ряда факторов. Организму необходима пища и как источник энергии (калорий), и как материал для построения его структур. На первом месте стоит потребность в энергии. Это значит, что, когда углеводов и жиров в рационе мало, пищевые белки используются не для синтеза собственных белков, а в качестве источника калорий. При длительном голодании даже собственные белки расходуются на удовлетворение энергетических нужд. Если же углеводов в рационе достаточно, то потребление белков может быть снижено.
Азотистый баланс.
В среднем ок. 16% всей массы белка составляет азот. Когда входившие в состав белков аминокислоты расщепляются, содержавшийся в них азот выводится из организма с мочой и (в меньшей мере) с калом в виде различных азотистых соединений. Удобно поэтому для оценки качества белкового питания использовать такой показатель, как азотистый баланс, т.е. разность (в граммах) между количеством азота, поступившего в организм, и количеством выведенного азота за сутки. При нормальном питании у взрослого эти количества равны. У растущего организма количество выведенного азота меньше количества поступившего, т.е. баланс положителен. При нехватке белков в рационе баланс отрицателен. Если калорий в рационе достаточно, но белки в нем полностью отсутствуют, организм сберегает белки. Белковый обмен при этом замедляется, и повторная утилизация аминокислот в синтезе белка идет с максимально возможной эффективностью. Однако потери неизбежны, и азотистые соединения все же выводятся с мочой и частично с калом. Количество азота, выведенного из организма за сутки при белковом голодании, может служить мерой суточной нехватки белка. Естественно предположить, что, введя в рацион количество белка, эквивалентное этому дефициту, можно восстановить азотистый баланс. Однако это не так. Получив такое количество белка, организм начинает использовать аминокислоты менее эффективно, так что для восстановления азотистого баланса требуется некоторое дополнительное количество белка.
Если количество белка в рационе превышает необходимое для поддержания азотистого баланса, то вреда от этого, по-видимому, нет. Избыток аминокислот просто используется как источник энергии. В качестве особенно яркого примера можно сослаться на эскимосов, которые потребляют мало углеводов и примерно в десять раз больше белка, чем требуется для поддержания азотистого баланса. В большинстве случаев, однако, использование белка в качестве источника энергии невыгодно, поскольку из определенного количества углеводов можно получить намного больше калорий, чем из такого же количества белка. В бедных странах население получает необходимые калории за счет углеводов и потребляет минимальное количество белка.
Если необходимое число калорий организм получает в форме небелковых продуктов, то минимальное количество белка, обеспечивающее поддержание азотистого баланса, составляет для взрослого человека ок. 30 г в день. Примерно столько белка содержится в четырех ломтиках хлеба или 0,5 л молока. Оптимальным считают обычно несколько большее количество; рекомендуется от 50 до 70 г.
Незаменимые аминокислоты.
До сих пор белок рассматривался как нечто целое. Между тем для того, чтобы мог идти синтез белка, в организме должны присутствовать все необходимые аминокислоты. Некоторые из аминокислот организм животного сам способен синтезировать. Их называют заменимыми, поскольку они не обязательно должны присутствовать в рационе, – важно лишь, чтобы в целом поступление белка как источника азота было достаточным; тогда при нехватке заменимых аминокислот организм может синтезировать их за счет тех, что присутствуют в избытке. Остальные, «незаменимые», аминокислоты не могут быть синтезированы и должны поступать в организм с пищей. Для человека незаменимыми являются валин, лейцин, изолейцин, треонин, метионин, фенилаланин, триптофан, гистидин, лизин и аргинин. (Хотя аргинин и может синтезироваться в организме, его относят к незаменимым аминокислотам, поскольку у новорожденных и растущих детей он образуется в недостаточном количестве. С другой стороны, для человека зрелого возраста поступление некоторых из этих аминокислот с пищей может стать необязательным.)
Этот список незаменимых аминокислот приблизительно одинаков также и у других позвоночных и даже у насекомых. Питательную ценность белков обычно определяют, скармливая их растущим крысам и следя за прибавкой веса животных.
Питательная ценность белков.
Питательную ценность белка определяют по той незаменимой аминокислоте, которой более всего не хватает. Проиллюстрируем это на примере. В белках нашего тела содержится в среднем ок. 2% триптофана (по весу). Допустим, что в рацион входит 10 г белка, содержащего 1% триптофана, и что других незаменимых аминокислот в нем достаточно. В нашем случае 10 г этого неполноценного белка по сути эквивалентны 5 г полноценного; остальные 5 г могут послужить только источником энергии. Отметим, что, поскольку аминокислоты в организме практически не запасаются, а для того чтобы мог идти синтез белка, должны одновременно присутствовать все аминокислоты, эффект от поступления незаменимых аминокислот можно обнаружить лишь в том случае, если все они поступят в организм одновременно.
Усредненный состав большей части животных белков близок к усредненному составу белков человеческого тела, так что аминокислотная недостаточность нам вряд ли грозит, если наш рацион богат такими продуктами, как мясо, яйца, молоко и сыр. Однако есть белки, например желатин (продукт денатурации коллагена), которые содержат очень мало незаменимых аминокислот. Растительные белки, хотя они в этом смысле и лучше желатина, тоже бедны незаменимыми аминокислотами; особенно мало в них лизина и триптофана. Тем не менее и чисто вегетарианскую диету вовсе нельзя считать вредной, если только при этом потребляется несколько большее количество растительных белков, достаточное для того, чтобы обеспечить организм незаменимыми аминокислотами. Больше всего белка содержится у растений в семенах, особенно в семенах пшеницы и различных бобовых культур. Богаты белком также и молодые побеги, например у спаржи.
Синтетические белки в рационе.
Добавляя небольшие количества синтетических незаменимых аминокислот или богатых ими белков к неполноценным белкам, например к белкам кукурузы, можно значительно повысить питательную ценность последних, т.е. тем самым как бы увеличить количество потребляемого белка. Другая возможность состоит в выращивании бактерий или дрожжей на углеводородах нефти с добавлением нитратов или аммиака в качестве источника азота. Полученный таким путем микробный белок может служить кормом для домашней птицы или скота, а может и непосредственно потребляться человеком. Третий, широко применяющийся, метод использует особенности физиологии жвачных животных. У жвачных в начальном отделе желудка, т.н. рубце, обитают особые формы бактерий и простейших, которые превращают неполноценные растительные белки в более полноценные микробные белки, а эти, в свою очередь, – после переваривания и всасывания – превращаются в животные белки. К корму скота можно добавить мочевину – дешевое синтетическое азотсодержащее соединение. Обитающие в рубце микроорганизмы используют азот мочевины для превращения углеводов (которых в корме значительно больше) в белок. Около трети всего азота в корме скота может поступать в виде мочевины, что по сути и означает в определенной мере химический синтез белка.
Шульц Г., Ширмер Р. Принципы структурной организации белков. М., Мир, 1982
Овчинников Ю.А. Биоорганическая химия. М., Просвещение, 1987
Борисов В.В. Каждый белок – свой сюжет. Химия и жизнь. 1990, № 2
Иванов В.И. Как работают ферменты. Соросовский образовательный журнал. 1996, № 9
Ответь на вопросы викторины «Неизвестные подробности»