еляется специфической аминокислотной последовательностью этой цепи, и изменения в последовательности, происходящие вследствие генетических мутаций, приводят к образованию конформационно измененных и частично менее стабильных, менее активных или неактивных белков. В-третьих, специфическая активность белка как фермента, гормона, переносчика кислорода и т. д. зависит от его конформации. Хотя белки представляют собой динамические структуры, даже ограниченные изменения конформации могут привести к потере биологической активности.

4.2. Аминокислоты

Разнообразие аминокислот в природе не ограничивается только теми из них, которые встречаются в белках. Однако в данной главе рассмотрены только те аминокислоты, которые обычно входят в состав белков.

4.2.1. Основные ?-аминокислоты белков

Структуры двадцати ?-аминокислот, обычно присутствующих в белках, приведены в табл. 4.1. Удобно разделить все аминокислоты на три группы в зависимости от характера их боковых цепей (R-групп): 1) аминокислоты с ионными боковыми цепями, 2) с полярными неионными боковыми цепями и 3) с неполярными алифатическими или ароматическими боковыми цепями.

Семь аминокислот содержат R-группы, которые могут обладать отрицательным или положительным зарядом. Аспарагиновая и глутаминовая кислоты (так называемые кислые аминокислоты)

Таблица 4.1

Структура ?-аминокислот, часто встречающихся в составе белков 1. Аминокислоты с ионными боковыми цепями

о

S3

Название и сокращения3 Структура ct-COOH P*8 pK3 ?/6

Аспарагиновая кислота (Asp, D) ??2 НООС-СН2-С-СООН ? 1,88 3,65 ?-COOH 9,60^ ?-??? 2,77

Глутамнновая кислота (Glu, ?) NH, I HOOC—сн2—сн3—с—COOH ? 2,19 4,25 V-COOH . 9,67 ?-??? 3,22

Лизин (Lys, К) ??2

H2N-CH2-CH2—CH2-CH2-C- COOH ? 2,18 8,95 a-NH3f 10,53 ?-??? 9,74

Аргинин (Arg, R) NH NH2 II ? ? HjN—С—N-CH2—CHa—CHa—С—COOH И 2,17 9,01 a-NH3+ 12,48 гуанидиновая группировка 10,76

Гистидин (His, ?) NH,

_ CH2-C-COOH N NH и 1,82 6,00 имидазольное кольцо 9,17 а-NHj 7,59

о ?

? ?

? —

?

га

?. ?

>

?

?

?

?, ?

? s

Тирозин (Туг, ?)

Цистеин (Cys, С)

НО—CHj-C—соон

W

?

NH,

I

HS-CH2-C-COOH I

?

2,20

1,96

9,11 ?-???

8,18 тиольная группа

10,07 фенольный —ОН

10,2В ?-???

5,66

5,07

2. Аминокислоты с неионными полярными боковыми цепями

Название н сокращения3

Структура

P/Cl сс-СОСН

a-NHj

р/°

Аспарагин (Asn, ?)

Глутамин (Gin, Q)

Серин (Ser, S)

Треонин (Thr, ?)

? NH,

II I ?,? -С—СН,—C-COOH

I

?

О ??,

II I ?2?—С—СН2—СН2—С—СООН

?

??2

I

НО-СН,—С—СООН I

?

NH,

I

СН.-СН-С-СООН

2,02

2,17

2,21

2,09

8,80

9,13

9,15

9,10

5,41

5,65

5,68

5,60

ОН ?

3. Аминокислоты с неполярными алифатическими или ароматическими боковыми

Название и сокращения3

Структура

PATl

Глицин (Gly, G)

NH, I

н-с-соон I

?

2,34

9,60

5,97

Аланин (Ala, A)

NH2

H3C-C-COOH I

?

2,34

9,69

6,00

Валин (Val, V)

Лейцин (Leu, L)

CHa NH,

\ I

НС—C-COOH

сн/ ?

CH3 NH,

\ I

НС-СНд-С-СООН

/

2,32

2,36

9,62

9,60

5,96

5,98

CH3

?

Иаолейцин (He, I)

CH3-CH2 NH, \ I

HC-C-COOH CH3 ?

2,36

9,60

6,02

Метионин (Met, ?)

? ?,

CH2—S-GH2—СН2-С— СООЧ

?

2,28

9,21

5,74

Пролин (Pro, ?)

СН2-СН3^ /Н

СН»-N/ ?,?

^COOH

?

,99

10,60

6,30

Фенилаланин (Phe, F)

Триптофан (Trp, \V|

_ Г2

^^)-СН2-С-СООН ?

??2

I

-сн2-с-соон I

?

)

?

I

?

,83

2,83

9,13

9,39

5,48

5,89

(71

га

ъ

т.

* Такие сокращения используются только при изображении последовательности полипептнда нли белка. р/=рН в нзоэлектрнческой точке (разд. 4.3,2).

106

I. ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ КЛЕТКЛ

могут нести отрицательный заряд на своих ??- и у-карбоксильных группах соответственно:

/°

—СН2—С —СН2—СН2—с

Р-харбоксилат-ион ?-карбоксилат-ион

Три аминокислоты, лизин, аргинин и гистидин (так называемые основные аминокислоты), могут нести положительный заряд, поскольку их R-группы способны принимать протон. ?-Аминогруппа лизина, гуанндиновая группировка аргинина и имидазольное кольцо гистидина протонируются с образованием следующих структур:

+NH2 |=Т-СНа

+ II н ?? мн

?3?—СНг—СН2—СН2—СН2— ?2?—С—N—СН2—СН2—СН2— "ix\/1N"

?-амииогруппа гуанидииовая группа имидозочьиое кольцо

(катиоиная форма) (кат онная форма) (катиоиная форма)

Две другие аминокислоты, тирозин и цистеин, имеют R-группы, которые также могут нести отрицательный заряд:

фенольиая группа тлиольная группа

(анионная форма) (анионная форма)

Ионные группы располагаются главным образом на поверхности глобулярных белков и сольватированы посредством водородных связей или ион-дипольных взаимодействий с молекулами воды. Эти группы придают поверхности белка положительные или отрицательные заряды и тем самым обусловливают электростатические свойства белков в растворе. Иногда ионные группы присутствуют в неполярных внутренних областях белковых глобул и между ними возникают электростатические взаимодействия (солевые мостики). Считается, например, что в молекуле дезоксигемоглобина электростатические взаимодействия возникают между остатками аспарагиновой кислоты и аргинина, расположенными в двух различных ?-цепях:

О Н3м н \> ??

Остатки тирозина и цистеина могут быть погружены в гидрофобные внутренние области белков, поскольку их неионизированные

4. БЕЛКИ. I

107

R-группы могут участвовать в гидрофобных взаимодействиях или в образовании водородных связей, например:

Нг/ /=\. "V1

Vh-CH.-4 >-он-о=с

НС—СН2-5Н-0=С 0=с( /HR

Примером белка, в котором остатки тирозина расположены внутри глобулы, является рибонуклеаза. При денатурации этого белка по мере разворачивания полипептидной цепи упомянутые остатки оказываются на поверхности и теряют протоны. Четыре метиле-новых звена лизина и три звена аргинина также могут быть погружены внутрь гидрофобных областей молекулы: однако при этом заряженные ?-аминогруппы и гуанидиновая группировка располагаются на поверхности молекулы.

Четыре аминокислоты, встречающиеся в белках, обладают полярными неионными R-группами. Среди них аспарагин (?-амид аспарагиновой кислоты), глутамин (?-амид глутаминовой кислоты), серин и треонин (алифатические аминокислоты, содержащие ?-гидроксидную группу). Кислотный и щелочной гидролиз белков приводит к выделению аммиака, образующегося из ?- и у-амидов аспарагиновой и глутаминовой кислот соответственно. Четыре перечисленные аминокислоты достаточно полярны для того, чтобы их R-группы располагались на поверхности белка, сольватирован-ной водой, или, в случае локализации внутри глобулы, образовывали водородные связи с другими полярными группами:

•

? R—СН ' \

I ?? \ нм/ CHR

I \ .NH ?? п. и./

/сн-сн2-он-о=с/ ,}г_гн r'P ??\

о=с V, нс-сн2-с с=о

\ /CHR 0=С Чнм /

у \ H2NHCR

\

Глицин отличается от других аминокислот отсутствием R-группы. Поэтому остатки глицина могут располагаться как в гидрофобном окружении, так и на поверхности белка. К тому же отсутствие R-группы у остатка глицина делает полипептидную цепь более гибкой, поскольку наличие объемных групп мешает возникновению изгибов и складок. Многие реакционноспособные группы ферментов часто окружены остатками глицина, что облегчает доступ субстратов к поверхности фермента.

I. ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ КЛЕТКИ

Восемь аминокислот обладают неполярными алифатическими или ароматическими боковыми цепями. Аланин, валин, лейцин, изолейцин и метионин посредством своих алифатических R-rpynn участвуют в гидрофобных взаимодействиях с другими R-группами аминокислотных остатков, принадлежащих к эдому же классу. Фенилъная боковая цепь фенилаланина и индольное кольцо триптофана также способны вступать в гидрофобные взаимодействия. Водородный атом азота индольного кольца может участвовать в образовании водородных связей с другими группами, локализованными внутри глобулы белка. К этой группе принадлежит также пролин — ?-иминокислота, содержащая вторичный амин в пир-ролидиновом кольце. Наличие в полипептидной цепи остатка пролина позволяет ей изгибаться и складываться «самой на себя».

Хотя неполярные алифатические и ароматические аминокислоты вносят свой вклад в формирование пространственной структуры белков, участвуя главным образом во внутренних гидрофобных взаимодействиях, некоторые R-группы этих остатков располагаются вблизи поверхности глобулы и могут быть обнаружены С помощью специфических реагентов. Например, некоторые остатки тирозина, находящиеся на поверхности белка, нормально взаимодействуют с различными реагентами на фенольную группу, тогда как другие находятся в гидрофобном окружении внутри молекулы и потому нереакционноспособны. Вероятность гидратации гидрофобных остатков мала, и потому они могут находиться в поверхностных районах глобулы белка только благодаря стабилизации этих районов сольватированными полярными и ионными группами, расположенными в их непосредственном окружении.

Ароматические аминокислоты ответственны за свойство большинства белков поглощать УФ-излучение (с максимумом между 275 и 285 нм). Из всех ароматических аминокислот наиболее значительным поглощением обладает триптофан (рис. 4.4). Знание молярных коэффициентов поглощения для разных белков оказывается полезным при фотометрическом определении их концентрации в растворе.

Еще одной аминокислотой низкой полярности является цистин— дисульфид, образованный двумя остатками цистеина. Благодаря своей структуре цистин может принимать участие в образовании четырех пептидных связей (за счет двух карбоксильных групп и даух аминогрупп):

? NH2 0=с/ \??

НООС-С-СН2-5-5-СН2-С-СООН s HC-CH2-5-S-CH2-CH

??2 ? ??? \r=0

цистин дисульфидная связь между

двумя полипептидными цепями

4. БЕЛКИ. I

109

240 260 280

Длина волны,нм

Рис. 4.4. Спектры поглощения триптофана, тирозина и фенилаланина при рН 8. В спектре тирозина при щелочных рН (до рН 12) наблюдается сдвиг полосы поглощения. Вкладом фенилаланина в поглоще