Биологическая химия - часть 13

Рис. 1.14. Структура проинсулина.

Расшифрованы первичные структуры миоглобина человека (153 амино-

кислотных остатка), α-цепи (141) и β-цепи (146) гемоглобина человека,

цитохрома С из сердечной мышцы человека (104), лизоцима молока

человека (130), химотрипсиногена быка (245) и многих других белков, в том

числе ферментов и токсинов. На рис. 1.14 представлена последовательность

аминокислотных остатков проинсулина. Видно, что молекула инсулина

(выделена темными кружками), состоящая из двух цепей (А – 21 и В – 30

аминокислотных остатков), образуется из своего предшественника – про-

инсулина (84 аминокислотных остатка), представленного одной полипеп-

тидной цепью, после отщепления от него пептида, состоящего из 33

аминокислотных остатков. Строение молекулы инсулина (51 аминокислот-

ный остаток) схематически можно представить следующим образом:

Между цепями А и В и внутри А-цепи инсулина образуются дисуль-

фидные (—S—S—) связи. Выяснена первичная структура более 18 инсули-

57

А-цепь (21)

В-цепь (30)

Цепь А

Цепь В

нов, выделенных из разных источников. Близкими по первичной структуре

оказались инсулины из поджелудочной железы человека, свиньи и каша-

лота. Единственным отличием инсулина человека является нахождение

треонина в положении 30 В-цепи вместо аланина.

Вторым белком, первичная структура которого расшифрована С. Му-

ром и У. Стейном, является рибонуклеаза (рис. 1.15) из поджелудочной

железы, катализирующая расщепление РНК. Фермент состоит из 124

аминокислотных остатков с N-концевым лизином и С-концевым валином,

между остатками цистеина образуются дисульфидные (—S—S—) связи

в 4 участках.

Полностью расшифрована последовательность аминокислот полипеп-

тидной цепи фермента лизоцима, имеющего важное защитное и медицин-

ское значение, так как он вызывает лизис ряда бактерий, расщепляя

основное вещество их клеточной оболочки. Лизоцим белка куриного яйца

содержит 129 аминокислот (рис. 1.16) с N-концевым лизином и С-концевым

лейцином.

Отечественными исследователями установлена первичная структура

многих белков и полипептидов, в том числе крупного белка РНК-полимера-

зы (в частности, последовательности ее β- и β

1

-субъединиц, 1342 и 1407

Рис. 1.15. Первичная структура РНКазы. Цветом выделены четыре дисульфидные

связи.

58

Рис. 1.16. Первичная структура полипептидной цепи лизоцима (схема).

аминокислотных остатков соответственно * фактора элонгации G из Е.coli

(701 аминокислота) (Ю.А. Овчинников и др.), фермента аспартатамино-

трансферазы, состоящей из 412 аминокислотных остатков (А.Е. Браун-

штейн, Ю.А. Овчинников и др.), леггемоглобина, белка L25 из рибосом

E.coli, нейротоксинов из яда кобры (Ю.А. Овчинников и др.), пепсиногена

и пепсина (В.М. Степанов и др.), L-липотропина и лактогенного гормона

быка (Н.А. Юдаев, Ю.А. Панков) и др.

Исследования первичной структуры α- и β-цепей гемоглобина способ-

ствовали выяснению структуры необычных, так называемых аномальных,

гемоглобинов, встречающихся в крови больных гемоглобинопатиями.

Иногда развитие болезни, как и изменение пространственной структуры

гемоглобина человека, обусловлено заменой лишь одной какой-либо

аминокислоты в структуре β-цепей (реже α-цепей) гемоглобина (см. главу 2).

Анализ данных о первичной структуре белков позволяет сделать сле-

дующие общие выводы.

1. Первичная структура белков уникальна и детерминирована генети-

чески. Каждый индивидуальный гомогенный белок характеризуется уни-

кальной последовательностью аминокислот: частота замены аминокислот

приводит не только к структурным перестройкам, но и к изменениям

физико-химических свойств и биологических функций.

* Следует указать, что в молекуле ДНК-зависимой РНК-полимеразы содержатся, помимо

указанных β- и β'-, также α- и α'-субъединицы и σ-фактор, первичная структура которых пока не

расшифрована, хотя известно общее количество аминокислот (~5000), входящих в состав

этого гигантского белка.

59

2. Стабильность первичной структуры обеспечивается в основном глав-

новалентными пептидными связями; возможно участие небольшого числа

дисульфидных связей.

3. В полипептидной цепи могут быть обнаружены разнообразные ком-

бинации аминокислот; в полипептидах относительно редки повторяющиеся

последовательности.

4. В некоторых ферментах, обладающих близкими каталитическими

свойствами, встречаются идентичные пептидные структуры, содержащие

неизменные (инвариантные) участки и вариабельные последовательности

аминокислот, особенно в областях их активных центров. Этот принцип

структурного подобия наиболее типичен для ряда протеолитических фер-

ментов: трипсина, химотрипсина и др. (см. главу 4).

5. В первичной структуре полипептидной цепи детерминированы вто-

ричная, третичная и четвертичная структуры белковой молекулы, опреде-

ляющие ее общую пространственную конформацию.

Вторичная структура белка

Рентгеноструктурная кристаллография решает две главные проблемы бел-

ковой химии: закономерности чередования последовательности аминокис-

лотных остатков в полипептидной цепи и закономерности конфигурации

белковой молекулы.

Первые рентгенограммы белков, полученные еще в 30-х годах У. Астбю-

ри, а затем Л. Полингом и Р. Кори, позволили установить наличие в белках

наряду с линейной полипептидной цепью участков, определенным образом

скрученных.

Под вторичной структурой белка подразумевают конфигурацию поли-

пептидной цепи, т. е. способ свертывания, скручивания (складывание, упа-

ковка) полипептидной цепи в спиральную или какую-либо другую конфор-

мацию. Процесс этот протекает не хаотично, а в соответствии с програм-

мой, заложенной в первичной структуре. Подробно изучены две основные

конфигурации полипептидных цепей, отвечающих структурным требова-

ниям и экспериментальным данным: α-спирали и β-структуры.

Благодаря исследованиям Л. Полинга * наиболее вероятным типом

строения глобулярных белков принято считать α-спираль (рис. 1.17). Закру-

чивание полипептидной цепи происходит по часовой стрелке (правый ход

спирали), что обусловлено L-аминокислотным составом природных белков.

Движущей силой в возникновении α-спиралей (так же как и β-структур)

является способность аминокислот к образованию водородных связей.

В структуре α-спиралей открыт ряд закономерностей. На каждый виток

(шаг) спирали приходится 3,6 аминокислотных остатка. Шаг спирали

(расстояние вдоль оси) равен 0,54 нм на виток, а на один аминокислотный

остаток приходится 0,15 нм. Угол подъема спирали 26°, через 5 витков

спирали (18 аминокислотных остатков) структурная конфигурация полипеп-

тидной цепи повторяется. Это означает, что период повторяемости (или

идентичности) α-спиральной структуры составляет 2,7 нм.

Для каждого белка характерна определенная степень спирализации его

полипептидной цепи. Степень спирализации устанавливают путем измере-

ния удельного вращения плоскости поляризованного света. Изменение

* За открытие тонкой структуры белков при помощи рентгеноструктурного анализа

нативных белков и синтезированных полипептидов Л. Полинг удостоен Нобелевской премии

(1954).

60