тносятся в первую очередь водородные связи, а также гидрофобные взаимодействия между неполярными алифатическими и ароматическими R-группами. Типично образование водородных связей между кислородом карбонильной группы и амидной группой пептидных связей:

Многие другие типы водородных связей образуются между этими же атомами и некоторыми полярными R-группами.

Гидрофобные взаимодействия возникают вследствие стремления неполярных боковых цепей избежать соприкосновения с водой подобно тому, как это имеет место у липидов (гл. 3). Водородные связи так же, как и гидрофобные взаимодействия, сами по себе намного слабее ковалентных, но вследствие реализации большого числа таких связей в молекуле белка имеется достаточно энергии для стабилизации его конформации в условиях клетки.

На рис. 4.1 приведена структура белка цитохрома с, принцип построения которого типичен для многих детально изученных белков. Внутри глобулы белка имеется много водородных связей, а также алифатических и ароматических R-групп, между которыми возникают гидрофобные взаимодействия. Внутренние гидрофобные области молекулы обычно не содержат воды. В этих областях очень прочны электростатические взаимодействия, хотя они возникают намного реже, чем водородные связи или гидрофобные взаимодействия. Поверхность молекулы в основном гидрофильна, а многие полярные группы, включая положительно и отрицательно заряженные R-группы аминокислот, гидратироваиы и находятся в контакте с молекулами воды, окружающими белок. Таким образом, поверхность глобулы белка может быть нейтральной или обладать суммарным положительным или отрицательным зарядом в зависимости от рН растворителя, а также количества и природы ионогенных групп в белке. В настоящее время 'невозможно предсказать конформацию белка, исходя только из знания его аминокислотной последовательности. Однако следует отметить, что кон-

\

C=0--NH-

4. БЕЛКИ. 1

§7

Рис. 4.1. Структурная модель белка цитохрома с. В аминокислотах отмечены только положения ?-углеродных атомов; R-группы аминокислот ие показаны, за исключением двух остатков цистеина, а также остатков метионина и гистидина, которые связаны с простетической группой — гемом (гл. 31). Стержнями изображены расстояния между ?-углеродными атомами. Отдельные аминокислотные остатки пронумерованы, начиная с МНг-концевого (1, наверху) и заканчивая СООН-концевым (104, справа внизу). Атом железа в молекуле белка .расположен в простетической группе (геме), которая связана ковалентно с полипептидной цепью посредством R-группы цистеина. Лиганды атома железа в геме — с»ра остатка Met-80 и азот имидазольного кольца остатка His-18. [Dickerson R. ?., Timkovich R., in: The Enzymes, Bayer P. D. ed., vol. XI, p. 407, Academic Press,

Inc., New York, 1975.]

7—1148

98

I. ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ КЛЕТКИ

Рис. 4.2. Схематическое изображение структуры гемоглобина, показывающее кон-формацию двух а- и двух ?-цепей, а также их пространственное взаиморасположение. Латинскими буквами обозначены участки полипептидных цепей, имеющие конформациониое сходство. Обе ?-цепи (как и обе ?-цепи) идентичны, и индексы 1 и 2 используются только для удобства. Диаметр молекулы составляет —6,4 нм. Затемненные прямоугольники — гемы каждой из цепей (гл. 31.). [Dickerson R. Gets J., The Structure and Action of Proteins, p. 56, Herper & Row, Publishers, Incorporated, New York, 1969.]

формации, обнаруженные в белках с различными аминокислотными последовательностями, представляют собой наиболее энергетически выгодные и стабильные пространственные структуры для любого данного белка с его уникальной последовательностью. Белки являются не статическими, а динамическими структурами, которые могут претерпевать некоторые конформационные изменения в процессе биологического функционирования. Кроме того, R-группы аминокислотных остатков, расположенных на поверхности белковой глобулы, могут обладать значительной свободой движения в растворителе, окружающем молекулу. Некоторые белки состоят только из одной полипептидной цепи, тогда как другие содержат две или более такие цепи, соединенные ковалентными или нековалентными связями. 'Примером может служить гемоглобин человека, содержащий четыре цепи, различающиеся по аминокислотной последовательности, в том числе две ?-цепи (141 аминокислотный остаток) и две ?-цепи (146 остатков). Структура этого белка схематически изображена на рис. 4.2. Цепи удерживаются вместе с помощью таких же нековалентных взаимодействий, которые .поддерживают конформацию одной полипептидной цепи

4. БЕЛКИ. I

нашивное денатурированное состояние состояние

Рис. 4.3. Схематическое изображение конформации иативного белка и процесса его денатурации. В соответствующих условиях денатурация обратима. Буквы N и С относятся соответственно к NH2- и СООН-коицевым остаткам.

(главным образом водородные связи и гидрофобные взаимодействия). О белках, содержащих более одной полипептидной цепи, говорят, что они состоят из субъединиц. Субъединичная структура белка определяется числом и типом полипептидных цепей в молекуле. Таким образом, субъединичная структура гемоглобина обозначается asfc- Некоторые белки содержат полипептидные цепи, связанные ковалентно дисульфидной связью (—S—S—), образованной R-группами цистина (разд. 4.2.1). Субъединичная структура фибриногена, белка плазмы крови, превращающегося в фибрин в процессе коагуляции крови (гл. 29), обозначается ?2?2?2, так как он содержит по две субъединицы трех типов, различающихся аминокислотной последовательностью. Греческие буквы ?, ?, ? и т. д. обычно используются для обозначения цепей данного белка, т. е. ?-цепь гемоглобина не имеет ничего общего с ?-цепью фибриногена.

4.1.3. Биологическая активность и структура белка

Специфические биологические функции белков, например ферментов или гормонов, зависят от их конформации, нарушения которой могут вести к потере биологической активности. Поэтому о белке, обладающем нормальной конформацией, говорят, что он находится в нативном (естественном) состоянии, а нативный белок—это белок, который обладает конформацией, обусловливающей специфическую биологическую функцию молекулы. Довольно мягкие изменения физических условий, в том числе изменение рН, температуры или обработка водными растворами некоторых органических веществ (детергентов, этанола, мочевины или гуанидин-гидрохлорида), могут нарушить эту конформацию. В белках, подвергнутых таким воздействиям, происходит денатурация. Денатурированный белок существенным образом отличается по своей конформации от нативного белка и лишен биологической активности. Процесс денатурации схематически показан «а рис. 4.3.

7*

loo

I. ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ КЛЕТКИ

4.1.4. Классификация белков

Вследствие разнообразия структур и функций белков невозможно провести их удовлетворительную классификацию. Обычно все белки подразделяются на два больших класса: глобулярные и фибриллярные. Молекулы глобулярных белков имеют сферическую или эллипсоидную форму, а основные особенности их структуры подобны описанным для цитохрома с (рис. 4.1) и гемоглобина (рис. 4.2). Такая форма молекул, по-видимому, определяется конформацией отдельных полипептидных цепей (как в моно-, так и в полисубъединичных белках). Глобулярный белок может содержать неаминокислотный компонент — простетическую группу (так называемый конъюгированный белок). Пример конъюги-рованного белка — гемоглобин, каждая полипептидная цепь белковой части которого (глобина) связана с гемом (гл. 31), образуя биологически активную молекулу.

Белки часто классифицируют в соответствии с их простетиче-скими группами. Так, гемоглобин является гемопротеидом, а белки, содержащие липиды, углеводы или металлы, называют соответственно липопротеидами, гликопротеидами и металлопротеи-дами.

Большинство известных белков относится к глобулярным белкам. Первоначально, когда лишь немногие белки были выделены в чистом виде, была предпринята попытка классифицировать глобулярные белки на основе их растворимости в водных средах. В настоящее время эта номенклатура представляет в основном исторический интерес. При такой классификации термин альбумин использовался для описания белков, хорошо растворимых в воде и коагулирующих при нагревании; глобулинами назывались белки, слабо растворимые в воде, но растворимые в разбавленных растворах солей (например, NaCl). Эти названия продолжают использоваться в литературе (например, сывороточный альбумин и ?-глобулин), но только для некоторых конкретных белков.

Фибриллярные белки — это разнородная группа белковых веществ, содержащих одну или более полипептидных цепей. Молекулы этих белков вытянуты и высокоасимметричны, длина их может во много раз превышать диаметр. Фибриллярными белками являются в первую очередь структурные белки соединительных, эластичных и сократительных тканей, а также нерастворимые белки волос и кожи. Белки этого типа рассмотрены детально в части четвертой.

В растительном и животном мире часто встречаются родственные белки, выполняющие одинаковые функции. Например, фермент лактатдегидрогеназа обнаружен у большинства прокариотических и эукариотических организмов; однако в каждом случае он специфичен для данного вида организмов и несколько отличается

4. БЕЛКИ. I

101

у разных видов по аминокислотной последовательности. Аналогично последовательность ?-цепи гемоглобина человека отличается 1, 18 и 50-м остатками от ?-цепей гемоглобина гориллы, кролика и карпа соответственно. Тем не менее все эти гемоглобины позвоночных представляют собой переносчики кислорода с субъединичной структурой ct2§2 и имеют сходную конфцэмацию и одинаковую биологическую функцию.

4.1.5. Некоторые основные принципы химии белка -fi5""~

Структурную организацию белков, механизм их самосборки и функционирования принято рассматривать в свете трех основных принципов. Во-первых, позднее будет показано (гл. 6), что последовательность аминокислот в полипептидной цепи определяется ДНК-матрицей, направляющей синтез белка (гл. 26). Во-вторых, принимаемая полипептидной цепью трехмерная конформация полностью опред