в) гидрофобные формируются между радикалами гидрофобных аминокислот (их список приведен в классификации);
г) дисульфидные единственный вид ковалентных связей в третичной структуре. Образуется между двумя остатками аминокислоты цистеин, формирующих мостик: S-S.
4. Четвертичная структура характерна далеко не для всех протеинов (для большинства белков высшей структурой является третичная). Представляет собой объединение нескольких глобул воедино, их число всегда четное, от двух до нескольких тысяч. Такой белок называют мультимером (или олигомером), а каждую из его глобул протомером, или субъединицей.
Связи четвертичной структуры:
а) водородные;
б) электрофильные;
в) гидрофобные.
Замечу, что все связи в третичной и четвертичной структурах образуются только между радикалами аминокислот.
Таким образом, мы видим, что в белковой структуре имеются два вида ковалентных (прочных) связей: пептидная и дисульфидная и три вида нековалентных (слабых) связей: водородные, электрофильные и гидрофобные.
Классическим примером мультимера является гемоглобин (Hb), молекула которого построена из 4-х протомеров, каждый их которых имеет в своем составе небелковую часть гем, с ионом железа в центре. Именно гем отвечает за связывание и транспорт кислорода.
Выделяют 4 основных типа гемоглобина:
HbА1 гемоглобин взрослого, его молекула построена из двух α- и двух β-субъединиц. На его долю приходится более 90% общего гемоглобина.
HbА2 минорный. 2 α и 2 δ частицы. 1% от общего Hb.
HbF фетальный (2 α, 2 γ). Является основным гемоглобином плода.
HbP эмбриональный (2 α, 2 ε). Преобладает у эмбриона.
III. Фибриллярные белки
Высшие структуры фибриллярных белков имеют форму длинной нити, они плохо растворимы в воде. Практически все они выполняют важнейшую структурную функцию. Иначе говоря, из фибриллярных белков построено наше тело. Классификация фибриллярных протеинов по строению:
α-фибриллярные белки (α-кератины);
β-фибриллярные белки (β-кератины);
белки коллагенового типа.
1. α-фибриллярные белки (α-кератины)
α-кератины являются основным структурным компонентом покровных тканей организмов позвоночных. На их долю приходится большая часть сухого остатка кожи и ее производных: волосы, ногти, когти, рога, копыта, иглы, панцирь, чешуя.
а) Первичная структура имеет ряд особенностей: а) много аминокислот с гидрофобными радикалами. Поэтому α-кератины совершенно нерастворимы в воде; б) значительное количество цистеина; в) α-кератины спирализованы по всей длине, а т. к. пролин нарушают спирализацию, в их составе его нет.
б) Вторичная структура α-кератинов классическая α-спираль (см. выше).
в) Третичную структуру этих протеинов можно рассмотреть на примере построения волоса. Три параллельно расположенных α-спирализованных цепи, с одинаковой направленностью жестко связаны друг с другом большим количеством поперечных дисульфидных связей (для этого и нужен цистеин). Триада спирализованных цепей полого закручиваются относительно друг друга, образуя суперспираль (протофибрилла).
2. β-фибриллярные белки (β-кератины)
В организме позвоночных отсутствуют β-кератины. Эти белки характерны для чуждого нам мира организмов членистоногих. Наиболее типичные примеры: фиброин шелка и кератин паутины. Основной отличительной особенностью построения подобных белков является β-структура.
а) Первичная структура. В β-кератинах преобладают аминокислоты с маленькими, необъемными радикалами: глицин (до 50%), аланин и др. В составе фиброина шелка, например, 50% глицина. Пептидные цепи β-кератинов плотно прижаты друг к другу, что исключает присутствие крупных аминокислот. Благодаря такой компактности β-кератины являются самыми прочными волокнами в природе.
в) Вторичная структура классическая β-структура, описанная выше.
3. Фибриллярные белки коллагенового типа
Если α-фибриллярные белки лежат в основе построения покровных тканей позвоночных, а β-кератины в организме человека вообще отсутствуют, то протеины коллагенового типа являются основным строительным компонентом опорных тканей (соединительная ткань и ее производные: кости, сухожилия, связки, хрящи).
Важнейшим компонентом соединительной ткани является коллаген. Это самый распространенный белок человеческого организма (1/3 от массы сухого остатка тела). Основная его функция обеспечение механической прочности органов и тканей.
а) Первичная структура преобладают: глицин (до 33%), аланин (11%), гидроксипролин и гидроксилизин (21%). Стоит заметить, что гидроксипролин специфичен только для коллагена.
б) Вторичная структура тропоколлаген 3 коллагеновых нити, объединенные в общую суперспирализованною частицу.
в) Третичная структура множество единиц тропоколлагена, соединенных в единое коллагеновое волокно ковалентными (эфирными лизин-лизиновыми) связями.
Другим важным соединительнотканным протеином является эластин. Его структурная организация во многом схожа с коллагеновой, но имеется ряд существенных отличий. В первичной структуре очень мало пролина. Это объясняет высокую спирализованность эластиновых цепей во вторичной структуре. Следует отметить, что эти спирали, обеспечивающие высокую растяжимость, не имеют ничего общего с классическими α-спиралями.
IV. Белок в растворе
Практически все глобулярные протеины прекрасно растворимы в воде. Факторы, удерживающие белок в растворе:
а) Заряд белковой молекулы. Одноименно заряженные молекулы протеина, отталкиваясь друг от друга, не могут слипаться вместе и выпадать в осадок, что способствует их нахождению в растворе.
б) Гидратная оболочка. Как уже говорилось, поверхность глобулярного белка усеяна растворимыми радикалами, поэтому вокруг таких глобул образуется плотная водная оболочка, препятствующая слипанию и осаждению белка.
Осаждение белка в водных растворах, как правило протекает в две стадии: агрегация белковых молекул и их выпадение в осадок. Этот процесс называют коагуляцией.
Различные виды осаждения можно разделить на:
1. Необратимое. Чаще всего это денатурация это необратимое разворачивание белка в первичную нить. Он теряет четвертичную, третичную и вторичную структуры. Понятно, что при этом белок лишается не только формы, но и всех своих функций и растворимости, но сохраняет аминокислотный состав. Причинами денатурации могут быть как физические (нагревание, радиация и др.) и химические (воздействие кислот, щелочей, солей тяжелых металлов, спиртов, эфиров, и т. д.).
2. Обратимое осаждение (коагуляция) характерно для:
а) Изоэлектрического состояния когда рН (кислотность) раствора нейтрализует заряд молекул белка, что неизбежно приводит к осаждению. При изменении кислотности в любом направлении растворимость протеина вновь восстанавливается за счет приобретения заряда.
б) Высаливание осаждение белка при добавлении солей щелочных металлов. Ионы солей стягивают гидратные оболочки белка и нейтрализуют его заряд. Оба фактора, удерживающих белок в растворе, исчезают, что приводит к обратимой коагуляции.
Адсорбционная пептизация вторичное растворение осажденного белка в избытке солей тяжелых металлов.
Соотношение процессов денатурации и коагуляции белка неоднозначно. Возможны три варианта:
Денатурация с коагуляцией возникают при кипячении в нейтральной, слабокислой или слабощелочной среде;
Денатурация без коагуляции происходит в сильнокислой или сильнощелочной среде:
Коагуляция без денатурации характерна для высаливания или изоэлектрического состояния.
Глава II ФЕРМЕНТЫ
Что может быть важнее ферментов (энзимов)? Любой биохимик ответит ни-че-го. Если белки самый значимый класс биологических молекул, то энзимы ключевая группа белков (аналогия: белки дворянство химического мира, ферменты королевский двор).
Жизнь это, прежде всего процесс, совокупность сложнейших функций, каждая из которых набор биохимических реакций, и все эти реакции катализируют ферменты. Таким образом, энзимы первейшая основа жизни.
I. Ферменты, их строение, изоферменты
1. Общая характеристика
Ферменты биологические катализаторы. Это доказывает сходство ферментов и катализаторов:
1. повышают скорость химической реакции;
2. действуют в мизерных концентрациях;