тратонкого среза везикулы, полученной ультразвуковой обработкой смеси фосфоглицеридов соевых бобов. После фиксации тетраоксидом осмия образец негативно окрашен. Толщина липндного ¦слоя 45+5 A [Miyamoto V. К. Stoeckenius W., J. Mem. Biol., 4, 257 (1971).] ¦б — схематическое изображение бислоя, образующего везикулу типа представленного на рис. а. Полярные группы показаны кружочками, а жирные хвосты — волнистыми линиями. Следует подчеркнуть, что везикулы этого типа имеют сферическую или эллипсоидную форму и внутри содержат растворитель. (Масштабы рисунков ? и б не совпадают.)

делить без разрыва индивидуальных слоев. Обработка ультразвуком является одним из основных способов фрагментации мульти-слойных структур и получения везикул различного размера и формы, образованных липидом и имеющих внутреннюю полость, заполненную водой. Поперечное сечение одной из таких везикул приведено на электронной микрофотографии (рис. 3.3,а). Структурный анализ везикул показал, что они образованы липидным бислоем, полярные группы которого обращены наружу, а между ними имеется двойной углеводородный слой, как это схематически показано на рис. 3.3, б. Итак, в отличие от сурфактаитов, которые образуют мицеллы, биологические липиды склонны к формированию бислоев, которые подвергаются самосборке с образованием везикул. Толщина бислоя в таких везикулах практически идентична толщине бислоя биологической мембраны (гл. 11). Таким образом, биологические липиды при определенных условиях путем самоорганизации образуют бислойную матрицу биологических мембран — ультраструктурных образований, ограничивающих все живые клетки и их внутриклеточные органеллы.

92

I. ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ КЛЕТКИ

Движущими силами образования липидных бислоев, так же как и образования сурфактантами мицелл, являются гидрофобные взаимодействия, рассмотренные выше. Биологические липиды образуют бислои, так как в отличие от сурфактантов их молекулы имеют, как правило, два гидрофобных хвоста. Сурфактанты могут образовывать мицеллы различного размера и формы. Однако максимальный размер глобулярной мицеллы ограничивается структурой самого сурфактанта, а именно: мицелла достигает своего максимального размера, когда на полярную головку молекулы приходится около 60 А2 площади на поверхности мицеллы. Площадь, приходящаяся на одну полярную головку двухцепочеч-ного амфифила в бислое, примерно соответствует площади, приходящейся на одну головку амфифила с одной цепью в глобулярной мицелле. Однако бислойная структура является оптимальной для двухцепочечных амфифилов, поскольку глобулярные мицеллы этих веществ, имеющие такие же размеры, что и мицеллы сурфактантов, приведенных в табл. 3.6, характеризовались бы слишком большой площадью, приходящейся на одну полярную группу.

Детальному рассмотрению свойств биологических мембран посвящена гл. 11. Здесь следует лишь подчеркнуть, что липиды образуют матрицу биологических мембран, а мембранные белки как бы закреплены в ней. Многие мембранные белки практически невозможно перевести в водный раствор без разрушения мембран. С целью солюбилизации мембранных белков широко используются детергенты (сурфактанты), особенно нейтральные, такие, как детергенты ряда тритона-Х. Считается, что детергенты этого типа включаются в состав мембранных бислоев, и после насыщения мембран детергентом образуются смешанные мицеллы, содержащие и детергент, и мембранные липиды, а белки переходят в раствор.

Другой широко применяемый детергент — дезоксихолат (соль желчной кислоты). Его действие, как полагают, обусловлено фрагментацией бислоя с образованием мелких дискообразных кусочков, в которых молекулы солей желчной кислоты экранируют от воды обнажившиеся гидрофобные участки.

ЛИТЕРАТУРА

Книги

Ansell G. В., Hawthorne J. ?., Dawson R. ?. С, eds., Form and Function of Phospholipids, 2d ed., Elsevier Scientific Publishing Company, Amsterdam, New York and London, 1973.

Burchfield H. P., Storrs ?. E., Biochemical Application of Gas Chromatography,

Academic Press, Inc., New York, 1962. Florkin M., Mason H. S., eds., Comparative Biochemistry, vol. Ill, pt. A, chaps. 1—

5 and 10; vol. IV, pt. B, chap. 14, Academic Press, Inc.. New York, 1962.

3. .липиды

93

Gundstone F. D., An Introduction to the Chemistry and Biochemistry of Fatty Acids

and Their Glycerides, Chapman & Hall, Ltd., London, 1967. Heftmann E., Steroid Biochemistry, Academic Press, Inc., New York, 1970. Hilditch T. P., Williams P. N.. The Chemical Constitution of Natural Fats, 4th ed..

Chapman & Hall, Ltd., London, 1964. Klyne W., The Chemistry of the Steroids, corr. 1st. ed., John Wiley & Sons, Inc.,

New York, 1961.

Schletller G., ed., Lipids and Lipidoses, Springer-Verlag, New York, Inc., New York, 1967.

Shoppee C. W., Chemistry of the Steroids, 2d ed., Academic Press, Inc., New York, 1964.

Snyder F., ed., Ether Lipids: Chemistry and Biology, Academic Press, Inc., New York, 1972.

Tanford C, The Hydrophobic Effect: Formation of Micelles and Biological Membranes, John Wiley & Sons, Inc., New York, 1973.

Обзорные статьи

Bangham A. D., Lipid Bilayers and Biomembranes, Annu. Rev. Biochem., 41, 753— 776, 1972.

Carter ?. E., Johnson P., Weber E. J., Glycolipids, Annu. Rev. Biochem., 34, 109— 142, 1965.

Hanalian D. J., Thompson G. ?., Jr., Complex Lipids, Annu. Rev. Biochem., 32, 215— 240, 1963.

Hawthorne J. N.. The Inositol Phospholipids, J. Lipid Res., 1, 255—280, 1960. Hawthorne J. N.. Kemp P., The Brain Phosphoinositides, Adv. Lipid Res., 2, 127— 166, 1964.

Helenius ?., Simons K., Solubilization of Membranes by Detergents, Biochim. Bio-

phvs. Acta, 415, 29—79, 1975. Kates'M., Bacterial Lipids, Adv. Lipid Res., 2, 17—90, 1964.

Kates M., Wassef ?. K., Lipid Chemistry, Annu. Rev. Biochem., 39, 323—351, 1970.

Ledeen R., The Chemistry of Gangliosides: A review, J. Am. Oil Chem. Soc, 43, 57—66, 1966.

Stoffel W., Sphingolipids, Annu. Rev. Biochem., 40, 57—82, 1971.

Глава 4

БЕЛКИ. 1

Основные структурные особенности. Аминокислоты и пептиды

Термин «протеин» [protos [греч.)—первый] впервые применен Мульдером в 1838 г. по предложению Берцелиуса." Это наименование было присвоено сложным азотсодержащим органическим веществам, обнаруженным в клетках животных и растений*. Белки занимают центральное место в структуре живой материи и играют первостепенную роль в ее функционировании. Химические и физические процессы, составляющие основу жизнедеятельности клетки, катализируются ферментами, а все ферменты — белки. Некоторые белки служат структурными элементами, являются гормонами илн переносчиками кислорода, участвуют в мышечном сокращении, другие связаны с генетическим материалом или вовлечены в иммунную систему организма в качестве антител. Кроме того, в количественном отношении белки представляют собой основной материал тканей животных; они могут составлять до 3Д сухой массы клетки.

Основная цель химии белка заключается в объяснении физиологической роли белковых веществ на основе изучения их структуры. Этот подход предполагает изучение отдельных частей белковых молекул, выяснение взаимного расположения этих частей в индивидуальных белках, а также исследование химических и физических свойств белков в целом. К настоящему времени выделены сотни различных белков, а у десятков из них детально изучены структуры и функции. Сравнение этих молекул показывает, что в структуре большинства белков имеется много общего. Поэтому, прежде чем приступить к подробному изложению основ химии белка, полезно рассмотреть некоторые основные принципы структурной организации, функционирования н самосборки белков.

* В научной литературе на русском языке чаще используют термин «белок». — Прим. перев.

94

4. БЕЛКИ. I

95

4.1. Основные структурные особенности

4.1.1. Ковалентная структура

Белки представляют собой макромолекулы с молекулярными пассами от ~5000 до многих миллионов. В каждой полимерной белковой молекуле в качестве строительных блоков выступают а-аминокислоты. ?-Аминокислоты содержат у одного атома углерода (?-углеродного атома) и аминогруппу, и карбоксильную группу:

NH, I

R—С—СООН

I

н

Обычно в белках встречаются 20 ?-аминокислот, различающихся структурой R-групиы, которая может быть гидрофильной или гидрофобной, основной, кислой или нейтральной.

В белках аминокислоты связаны пептидными связями, которые представляют собой амидные связи, образованные ?-карбоксильными и ?-аминогруппами соседних аминокислотных остатков, как показано ниже (в рамки заключены пептидные связи):

Го

к2Г

?,? ? ic

С ? N| ? 'С

I, н! Ill R! ! «О

HI III № ? [С

! С.

У1\ /

?! Н С

он

R'

hi

о

Построенные таким образом полимеры называют пептидами, а приставки ди-, три-, тетра- и т. д. соответствуют числу остатков в их молекулах (дипептид содержит два остатка, трипептид — три остатка и т. д.). В отличие от небольших олигопептидов полипептидами обычно называются вещества, содержащие 20 или более аминокислотных остатков. Полипептидные цепи белков включают еще большее число остатков (примерно от 50 до 2500, в зависимости от природы белка). Возможно множество вариантов последовательностей аминокислот в полипептидной цепи. Так, для 20-членного пептида, состоящего из различных аминокислот, существует 20! (т. е. ~2·1018) возможностей их взаимного расположения. Очевидно, что в живой природе реализуется только незначительная доля возможных изомеров белков.

96

I. ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ КЛЕТКИ

4.1.2. Трехмерная структура

Если бы пептидные связи были единственным фактором, определяющим структуру белков, то пространственная организация любого из них носила бы случайный характер. Понятно, что это не так; полипептидные цепи белков обладают специфической трехмерной структурой, которую называют конформацией белка. Точная конформации белка определяется его аминокислотной последовательностью и стабилизируется нековалентными взаимодействиями между группами пептидных связей, а также между R-группами некоторых остатков в полипептидной цепи. К таким нековалентным взаимодействиям о