Биологическая химия - часть 14

Рис. 1.17. Структура и параметры α-спирали.

последнего находится в прямой зависимости от степени спирализации

белковой молекулы. Не все глобулярные белки спирализованы на всем

протяжении полипептидной цепи. В молекуле белка α-спиральные участки

чередуются с линейными. В частности, если α- и β-цепи гемоглобина

спирализованы, например, на 75%, то лизоцима – на 42%, а пепсина – всего

на

 30%.

Таким образом, стабильность вторичной структуры обеспечивается

в основном водородными связями (определенный вклад вносят и главно-

валентные связи – пептидные и дисульфидные).

В о д о р о д н а я  с в я з ь представляет собой слабое электростатическое

притяжение (взаимодействие, связь) между одним электроотрицательным

атомом (например, кислородом или азотом) и водородным атомом, кова-

лентно связанным со вторым электроотрицательным атомом. Типы водо-

родных связей представлены далее.

По современным представлениям, водородная связь включает не только

электростатические силы притяжения между полярными группами (взаимо-

действие атомов водорода с электроотрицательными элементами: кислоро-

дом, азотом, хлором), но и электронные связи такого же типа, как в ряде

комплексных соединений. Водородные связи, являясь нековалентными,

отличаются малой прочностью. Так, если для разрыва химических меж-

атомных связей необходимо затратить от 84 до 8400 кДж, то для разрыва

одной водородной связи требуется затратить всего лишь 6,3 кДж на 1 моль.

Поскольку в белковой молекуле число водородных связей очень велико (в

образование водородных связей вовлечены все пептидные группы), они

в сумме обеспечивают скручивание полипептидной цепи в спиральную

структуру, сообщая ей компактность и стабильность.

61

0,54 нм

3,6 остатка

5-й шаг

4-й шаг

3-й шаг

18 остатков

2,7 нм

2-й шаг

1-й шаг

0,51 нм

0,15 нм

26°

Механизм возникновения водородных связей в элементарной форме

может быть представлен на примере взаимодействия двух молекул воды

(диполи). В диполе воды, как известно, избыток положительных зарядов

приходится на атомы водорода, а избыток отрицательных – на атомы

кислорода.

Благодаря особенностям строения атома водорода при достаточном

сближении двух молекул воды возникает электростатическое взаимодейст-

вие между атомом кислорода одной молекулы и атомом водорода второй

молекулы воды. Следствием этого является ослабление связи между атома-

ми водорода и кислорода в каждой молекуле воды и соответственно

возникновение новой, непрочной связи (отмечена пунктиром) между ато-

мом водорода первой молекулы и атомом кислорода второй молекулы

воды. Эту непрочную связь принято обозначать водородной связью.

В белковой молекуле наиболее важные водородные связи образуются

между ковалентно связанным атомом водорода, несущим частичный поло-

жительный заряд, и отрицательно заряженным ковалентно связанным

атомом кислорода. Ниже представлены примеры водородных связей в бел-

ковой молекуле: а) между пептидными цепями; б) между двумя гидрок-

сильными группами; в) между ионизированной СООН-группой и ОН-груп-

пой тирозина; г) между ОН-группой серина и пептидной связью.

В зависимости от химической природы атома-акцептора водородные

связи отличаются друг от друга степенью прочности. О количестве водо-

родных связей в белковой молекуле судят по данным изотопного метода,

в частности по времени обмена атомов водорода, участвующих в образова-

нии водородной связи, на дейтерий (при обработке белка тяжелой водой

D

2

O, в которой вместо обычного водорода содержится его тяжелый изотоп

дейтерий).

Другой тип конфигурации полипептидных цепей, обнаруженный в бел-

ках волос, шелка, мышц и в других фибриллярных белках, получил

название β-структуры. В этом случае две или более линейные полипеп-

тидные цепи, расположенные параллельно или, чаще, антипараллельно,

прочно связываются межцепочечными водородными связями между NH-

и СО-группами соседних цепей, образуя структуру типа складчатого слоя

(рис. 1.18).

62

а

б

в

г

Рис. 1.18. β-Структура полипеп-

тидных цепей.

В природе существуют белки, строение которых, однако, не соответст-

вует ни β-, ни α-структуре. Типичным примером таких белков является

коллаген – фибриллярный белок, составляющий основную массу соедини-

тельной ткани в организме человека и животных (см. главу 21).

Методами рентгеноструктурного анализа в настоящее время доказано

существование еще двух уровней структурной организации белковой моле-

кулы, оказавшихся промежуточными между вторичной и третичной струк-

турами. Это так называемые  н а д в т о р и ч н ы е  с т р у к т у р ы и  с т р у к т у р -

ные  д о м е н ы .

Н а д в т о р и ч н ы е  с т р у к т у р ы представляют собой агрегаты полипеп-

тидных цепей, обладающих собственной вторичной структурой и образую-

щихся в некоторых белках в результате их термодинамической или кинети-

ческой стабильности. Так, в глобулярных белках открыты (βхβ)-элементы

(представлены двумя параллельными β-цепями, связанными сегментом х),

βαβαβ-элементы (представлены двумя сегментами α-спирали, вставленными

между тремя параллельными β-цепями) и др. В больших глобулярных

белках иногда содержатся неодинаковые структурные домены, выполняю-

щие разные функции, как и однотипные домены в пределах одного моно-

мерного белка, образующиеся, вероятнее всего, как результат влияния

генов в первом случае или дупликации генов – во втором. Домены создают-

ся объединением и чередованием α-спиралей и β-слоев, между которыми

открываются более рыхлые структуры (рис. 1.19).

Д о м е н – это компактная глобулярная структурная единица внутри

полипептидной цепи. Домены могут выполнять разные функции и подвер-

гаться складыванию (свертыванию) в независимые компактные глобуляр-

ные структурные единицы, соединенные между собой гибкими участками

внутри белковой молекулы. Открыто много белков (например, иммуногло-

булины), состоящих из разных по структуре и функциям доменов, кодируе-

мых разными генами.

Третичная структура белка

Под третичной структурой белка подразумевают пространственную ориен-

тацию полипептидной спирали или способ укладки полипептидной цепи

в определенном объеме. Поскольку ни первичная структура, ни типы

спиралей или сочетания спиральных и линейных участков полипептидной

63

г

Рис. 1.19. Доменное строение глобулярных белков (по А. А. Болдыреву).
а - β-субъединица гемоглобина; б - константный домен иммуноглобулина; в - флаводоксин;

г - лизоцим куриного яйца.

цепи не дают представления об объеме, форме полипептидной цепи, перед

исследователем всегда стоит необходимость определения трехмерной или

пространственной конфигурации белка. Основную роль в решении этих

задач сыграл рентгеноструктурный анализ с высокой разрешающей способ-

ностью. Как было отмечено, метод успешно решает две главные проблемы

химии белков: закономерность последовательностей аминокислотных ос-

татков в полипептиде и закономерность конфигурации молекулы белка.

Межатомные расстояния в молекулах органических веществ составляют

0,1–0,2 нм, а максимальная разрешающая способность современных аппа-

ратов равна 0,2 нм. Это не позволяет установить местоположение каждого

атома, хотя вполне могут быть различимы отдельные сочетания атомов,

особенно при введении в молекулу белков атомов тяжелых металлов

64

а

б

α-Спираль

в

β-Структура

Дисульфидный

мостик