рис. 2.2) аминокислоты разделяют на 7 групп: 1) алифатические нейтральные (глицин, аланин, валин, изолейцин), 2) алифатические гидроксиамико-кислоты (серии, треонин), 3) серусодержащие (цистеин, метио-нин), 4) кислые аминокислоты и их амиды (аспарагиновая кислота, аспарагин, глутаминовая кислота, глутамин), 5) основные (лизин, аргинин, гистидин), 6) ароматические и гетероароматичеокие (фенилаланин, тирозин, триптофан), 7) имино-кислоты (пролин).

Боковые цепи могут быть гидрофобными (например, у алифатических нейтральных аминокислот и фенилаланина) или гидрофильными (например, у кислых или основных аминокислот) (2.1).

2.2.2. ХИМИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ПЕПТИДОВ И БЕЛКОВ

2.2.2.1. Пептидная связь. Аминогруппа одной аминокислоты способна вступать в реакцию с карбоксильной группой другой аминокислоты. Формально такая реакция протекает с выделением воды (рис. 2.3), но в клетке она осуществляется более тсложным способом (5.1.2). Образующаяся при этом молекула рредставляет собой пептид, а связь —СО—NH— называется

54 Глава 2

Химические строительные блоки 55

H.N С-<ОН \ 2 \ /

сн

СН

\ /\ -4H^-N СООН

НгО H.N с сн

\/ \ /\

©

СН N СОСН

®

н

н

ОN С

СН N С Сг N С СН

/ \/\/\/\/\/\/ \|/ \ / \ /

СН N С СН N С СН N С

I I II I I II I I II

©

Рис. 2.3. Пептиды. Формальная схема синтеа дипептида (В) в результате образования пептидной связи между двумя ашнокислотами (А н Б). Г — отрезок пептидной цепи.

фосфат), хромопротеидов с пигментной группой (например, у гемоглобина), лшюпротеидов с жироподобным компонентом, гликопротеидов с углеводной частью. Комплексы, в которых белки соединены ионными связями с нуклеиновыми кислотами, называются нуклеопротеидами.

2.2.3. ПЕРВИЧНАЯ СТРУКТУРА И КОНФОРМАЦИЯ БЕЛКОВ

2.2.3.1. Первичная структура. Так называют аминокислотную последовательность полипептидной цепи (расположение в ней аминокислотных остатков). Первичная структура специфична для каждого белка (рис. 2.4) и определяется генетической информацией, т. е. закодирована в ДНК (2.3). От первичной структуры зависят все свойства и функции белка. Так, специфическое действие фермента требует совершенно определенной последовательности аминокислот.

2.2.3.2. Конформация. Это определенная трехмерная форма полипептидной цепи. Цепи обычно скручены, сложены или согнуты.

Среди белков преобладают глобулярные белки с молекулой более или менее шарообразной формы. Фибриллярные белки с удлиненной нитевидной молекулой — это опорные белки, к которым относятся коллаген в соединительной

пептидной связью. Дальнейшее присоединение аминокислот с помощью пептидных связей приводит к построению полипептидной цепи с боковыми цепями аминокислот в виде ответвлений (R на рис. 2.3,Г).

Полипептидная цепь полярна, эна содержит свободную NH2-rpynny на аминном конце (N-юнце) и свободную СООН-груплу на противоположном, карбонильном, конце (С-конце).

2.2.2.2. Пептиды. Дипептиды содержат два, тшпептиды — три, олигопептнды —

от 2 до 10, полипептиды — более 10 аминоюслотных остатков. К олигопептндам относятся дипептид карнозин (p-Ala-Hii) нз мышц, трипептид глутатион

(Glu-Cys-Gly), встречающийся во всех клетгах, ряд гормонов (окситоцин, вазопрессин и др., см. табл. 7.2), некоторые антибиотики, например грамицидин S; к полипептидам — такие пептидные гормоны, как инсулин н АКТГ

(адренокортикотропный гормон, табл. 7.2), шогие антибиотики, например грамицидин А.

2.2.2.3. Белки. Белки представляют собой полипептиды, е молекулу которых входят от 100 до нескольких тысяч аминокислот, с молекулярной массой свыше 10000 и диаметром молекулы от 5 до 100 нм.

Протеидами называют белковые соединения с дополнительным компонентом. Чаще всего это шэкомолекулярное соединение, которое называют простетичесюй группой. Такие группы имеются у металлопротеидов, фосропротеидов (содержащих

rAsn-Gln -Cjts-Tyr-Gln - Ser-Tyt-Ser-Thr-Met-Ser-lle;

Thr

Glu I

Lys

•AU-Ala-lys-Phe-Glu-Arg-Ser-Thr-Ser-Ser-Asn -His-Met-Glu-Ala-Ala-Ser.

Thr/' G'lA Asn-Lys-Cys-Ala-^

—\,Val. I

Asn

Ue^l-Ala-Cys-Glu-Gly-Asn-ProTyr-№l-Pro-Vbl-HI5-Phe-Asr>Ala-Ser-Val

lie f

His 1 - 4ys-Gln-Ma-A5N-Thr-Thr-LysJyr-C>J5-Ala- Asn- Pro-Tyr-Lys-Ser-;

Val-Gln-Ala-V«-Cys-Ser-Gln -LysJ S,

Ala I

Leu

Ser i

Glu4^Vat-Phe-Thr-Asn-Val-Pro-Lys-Cys-Arg- Asp-Lys-Thr- Leu-Asn- Arg

Рис. 2.4, Первичная структура фермента рибонуклеазы. Использованы международные трехбуквенные обозначения аминокислот; это обычно три первые буквы, кроме сокращений Asn (аспарагин), Gin (глутамин), Не (изолейцин) и Тгр f триптофан).

тканн, хряще и костн, миозин в мышцах, фибриноген в плазме крови, а-кератнк в волосах, р-кератин в ногтях и перьях, фиброин в шелковой ннти.

Конформация определяется первичной структурой; это термодинамически наиболее устойчивое состояние полипептидной цепи. На нее оказывают влияние различные факторы, в частности простетические группы (2.2.3.3.). К конформации относится вторичная, третичная и четвертичная структура.

2.2.3.2.1. Вторичная структура. Она возникает в результате образования водородных связей между —СО- и ЫН2-группами

двух пептидных связей (рис. 2.1,Д, 3) внутри одной полипептидной цепи (спиральные конфигурации) или между двумя по-липептидными цепями (складчатые слои).

Из спиральных конфигураций наиболее распространена а-спираль (рис. 2.5), содержащая 3,6 аминокислотных остатка в каждом витке и имеющая шаг (высоту витка по оси спирали) 0,54 нм. СО-группа каждой пептидной связи соединена здесь водородной связью с iNH-грушюй третьей из ближайших пептидных связей. Спираль коллагенового типа содержит три аминокислотных остатка в каждом витке и имеет шаг 0,86 нм.

В складчатом слое несколько полипептидных цепей лежат параллельно на расстоянии 0,465 нм, образуя плоскую конфигурацию, сложенную наподобие гармошки (рис. 2.5).

Вторичная структура фибриллярных белков может быть спиральной (а-спираль у миозина, фибриногена и а-кератина, спираль коллагенового типа у коллагена) или складчатой (|3-кератин, фиброин шелка). У глобулярных белков участки а-спирали чередуются с неспиральными участками, иногда встречаются также области со спиралями иного типа или складчатые слои.

2.2.3.2.2. Третичная структура. Она имеется у глобулярных белков: спиральные и неспиральные участки полипептидной цепи

складываются в трехмерное образование шаровидной формы

(рис. 2.5). Третичная структура стабилизируется связями между

боковыми цепями аминокислот (2.1)—прежде всего ковалентными дисульфидными связями между остатками цистеина

(рис. 2.4), а также ионными связями {—COO----HSN+—), водородными связями (например, = 0--Н—N= или —СОО--•••Н—О—) и гидрофобными взаимодействиями [например,

—СН— (СНз)2- ? • (СН3)2—СН—].

У гидрофильных белков гидрофобные боковые цепи аминокислот образуют гидрофобное пространство внутри глобулярной молекулы (гидрофобные взаимодействия!), в то время как гидрофильные цепи обращены к растворителю и определяют гидрофильность молекулы. Гидрофобные белки построены противоположным образом.

58 Глава 2

Химические строительные блоки 59

Часто несколько полипептидны: цепей связываются кова-лентно дисульфидными связями, и -огда образуется общая третичная структура.

2.2.3.2.3. Четвертичная структура. Нередко несколько одинаковых или различных полипептидны: цепей, называемых прото-мерами, объединяются в одно целое—олигомер. Эта четвертичная структура фиксируется нековажнтными связями между боковыми цепями полипептидов: ион:ыми и водородными связями, гидрофобными взаимодействиям.

У глобулярных белков несколько протмеров с третичной структурой образуют общую округлую четвертичную стрктуру (таков, например, гемоглобин: 4 протомера=1 тетрамер, рис. 2.5). Уфибриллярных белков со спиральной вторичной структурой несколько спирали могут быть скручены вместе (три у коллагена, семь у а-кератина). У фнбрилшрных белков с вторичной структурой типа складчатого слоя несколько слов могут складываться друг с другом и связываться боковыми цепями.

2.2.3.3. Изменения конформации. Рзменение температуры, давления (слуховые рецепторы!), рН, юнных концентраций, а также присоединение к белку других молекул (процессы регуляции— 4.6.1.5) или простетической группы приводят к изменению вторичной, третичной и четверичной структуры белка и в результате этого к изменению его биологической активности.

Денатурация — это чаще всего необратимая, эначительнан утрата специфической структуры (от четвертичной до торнчной) и биологической активности. Она может быть вызвана химическши воздействиями (обработка солями тяжелых металлов, мочевиной, солями 'уанидина, спиртом, ацетоном, кислотами, щелочами и т. п.), высокой темпоатурой (выше 45°С), облучением (УФ, рентген, радиоактивность), ультразвуом, высоким давлением и т. п2.2.4. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕЛКОВ

Благодаря своим кислым карбшсильным группам и основным аминогруппам аминокислоты тредстзвляют собой амфолиты и образуют амфотерные ионы рис. 2.2,В). Белки ведут себя аналогичным образом. В кислсм растворе молекула белка заряжена положительно, в щел)чном — отрицательно (рис. 2.2, Г и Д). Где-то в промежутке находится изоэлектрическая точка, в которой положительные и отрицательные заряды уравновешивают друг друга. Ее положение сильно варьирует: у пепсина она соответствует рН 1,0, у озальбумина 4,6, у коллагена 6,7, у лизоцима 11,0. Протоплазма клетки обычно слабощелочная (рН около 8), поэтому суммарный заряд белков отрицательный. Ниже изоэлектрической -очки преобладают положительные заряды, а в самой этой 'очке заряд минимален.

Заряженные и полярные группь белковых молекул электростатически притягивают молекулы воды (взаимодействия иондиполь или диполь-диполь, 2.1) ив результате гидратируются. В изоэлектрической точке минимуму заряда соответствует и минимум гидратации, поэтому растворимость белка здесь будет наименьшей.

2.3. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ

Нуклеиновые ки