Биологическая химия - часть 16

Рис. 1.23. Олигомерная мо-

лекула гемоглобина (крас-

ные диски – группы гема).

каждая из которых окружает группу гема – пигмента, придающего крови ее

характерный красный цвет (см. главу 2).

В определенных условиях (присутствие солей, 8М мочевины или резкие

изменения рН) молекула гемоглобина обратимо диссоциирует на две α-

и две β-цепи. Эта диссоциация обусловлена разрывом водородных связей.

После удаления солей или мочевины происходит автоматическая ассоциа-

ция исходной молекулы гемоглобина (рис. 1.25).

Классическим примером олигомерной молекулы, или надмолекулярной

структуры, является вирус табачной мозаики, представляющий собой ги-

гантскую молекулу с мол. м. около 40•10

6

. Он состоит из одной молекулы

Рис. 1.24. Модель гемогло-

бина (по Перутцу).

α-Цепи светлые; β-цепи темные;

группы гема красные.

69

Рис. 1.25. Обратимая диссоциация

молекулы гемоглобина.

РНК (см. главу 3) и 2130 белковых субъединиц, масса каждой из которых

составляет 17500. Длина вируса примерно 300 нм, ширина – около 17 нм.

РНК вируса имеет спиралеобразную форму. Вокруг РНК нанизаны бел-

ковые частицы, образующие гигантскую надмолекулярную спиральную

структуру, в которой насчитывается около 130 витков (рис. 1.26). Удиви-

тельной особенностью вируса является то, что после разъединения соответ-

ствующими приемами (добавление детергента) РНК и белковых субъеди-

ниц и последующего их смешивания (с предварительным удалением детер-

гента) наблюдаются полная регенерация четвертичной структуры, восста-

новление всех физических параметров и биологических функций (инфектив-

ная способность вируса). Подобная точность процесса спонтанной само-

сборки вируса обеспечивается, вероятнее всего, информацией, содержащей-

ся в первичной структуре молекулы РНК и белковых субъединиц. Таким

образом, последовательность аминокислот содержит в себе информацию,

которая реализуется на всех уровнях структурной организации белков.

Многие ферменты также обладают четвертичной структурой, например

фосфорилаза а, состоящая из двух идентичных субъединиц, в каждой из

которых по две пептидные цепи. Вся молекула фосфорилазы а, таким

образом, представляет собой тетрамер. Отдельные субъединицы чаще всего

не обладают каталитической активностью; вообще регуляторные ферменты

Рис. 1.26. Самосборка вируса та-

бачной мозаики.

70

Добавление

мочевины

Удаление

мочевины

Общая длина

130 витков

(см. главу 4) имеют четвертичную олигомерную структуру. Они наделены

функцией обеспечения в клетке требуемых скоростей химических реакций.

Наиболее изученным олигомерным ферментом является лактатдегидро-

геназа (она катализирует обратимое превращение пировиноградной кисло-

ты в молочную), содержащая два типа полипептидных цепей: Н – сердечный

тип (от англ. heart – сердце) и М – мышечный тип (от англ. muscle – мышца) –

и состоящая из 4 субъединиц. Этот фермент благодаря различным сочета-

ниям субъединиц может существовать в 5 формах. Такие ферменты получи-

ли название  и з о ф е р м е н т о в , или, в соответствии с новой классификацией,

м н о ж е с т в е н н ы х форм  ф е р м е н т о в (см. главу 4).

К настоящему времени субъединичная структура обнаружена у несколь-

ких сотен белков. Однако только для немногих белков, в том числе для

молекулы гемоглобина, методом рентгеноструктурного анализа расшифро-

вана четвертичная структура *. Основными силами, стабилизирующими

четвертичную структуру, являются нековалентные связи между контактны-

ми площадками протомеров, которые взаимодействуют друг с другом по

типу  к о м п л е м е н т а р н о с т и – универсальному принципу, свойственному

живой природе. Структура белка после его синтеза в рибосоме может

частично подвергаться модификации (посттрансляционный процессинг):

например, при превращении предшественников ряда ферментов или гормо-

нов (инсулин).

Таким образом, имеются все основания для подтверждения мнения

о существовании 4 уровней структурной организации белков. Более того,

каждый индивидуальный белок характеризуется уникальной структурой,

обеспечивающей уникальность его функций. Поэтому выяснение структуры

разнообразных белков может служить ключом к познанию природы живых

систем и соответственно сущности жизни. На этом пути научного поиска

могут быть решены также многие проблемы наследственных заболеваний

человека, в основе которых лежат дефекты структуры и биосинтеза белков.

Некоторые исследователи склонны рассматривать, и не без основания,

существование пятого уровня структурной организации белков. Речь идет

о полифункциональных макромолекулярных комплексах, или ассоциатах из

разных ферментов, получивших название метаболических олигомеров, или

метаболонов, и катализирующих весь путь превращений субстрата (синте-

тазы высших жирных кислот, пируватдегидрогеназный комплекс, дыхатель-

ная цепь).

КЛАССИФИКАЦИЯ БЕЛКОВ

В настоящее время еще не разработана стройная система номенклатуры

и классификации белков. Традиционная классификация белков по группам,

основанная, скорее, на случайных показателях (физико-химические свой-

ства, форма молекул, локализация и происхождение, аминокислотный

состав), уже не отвечает полностью возросшему уровню знаний о их

структуре и функциях. Из огромного количества природных белков струк-

тура и функции расшифрованы для относительно небольшого числа (не

более нескольких сотен), и поэтому структура и функции белков пока не

могут служить основой для их рациональной классификации. Пожалуй,

только для одной группы белков, обладающих способностью катализиро-

* Установлена четвертичная структура ряда иммуноглобулинов, состоящих из легких

и тяжелых полипептидных цепей, соединенных в отличие от других олигомерных белков

дисульфидными связями.

71

вать химические реакции, т.е. ферментов, разработана стройная система

номенклатуры и классификации, в основу которой положены типы катали-

зируемых химических реакций и химическая природа реагирующих веществ.

Однако полностью идентифицированные до сих пор ферменты также

составляют незначительную долю белков (ферментов описано более 3000).

Тем не менее функциональный принцип, рекомендуемый некоторыми авто-

рами, хотя и не может служить универсальной основой для классификации

всех белков, представляет определенный интерес. В соответствии с функ-

циональным принципом различают 12 главных классов белков: 1) катали-

тически активные белки (ферменты); 2) белки-гормоны (хотя есть и сте-

роидные гормоны); 3) белки-регуляторы активности генома; 4) защитные

белки (антитела, белки свертывающей и антисвертывающей систем крови);

5) токсические белки; 6) транспортные белки; 7) мембранные белки; 8) со-

кратительные белки; 9) рецепторные белки; 10) белки-ингибиторы фер-

ментов; 11) белки вирусной оболочки; 12) белки с иными функциями.

Были предприняты также попытки классифицировать белки, исходя из

особенностей вторичной и третичной структуры. В соответствии с этим

различают α-, β-, α+β- и α/β-белки. α-Белки содержат только α-спирали (не

менее 60%), β-белки – только β-структуры (не менее двух антипараллельных

цепей), α+β-белки – те и другие структуры в пределах одной полипептид-

ной цепи (пример – молекулы лизоцима), а класс α/β-белков содержит

множество α- и β-структур, чередующихся вдоль полипептидной цепи или

домена (см. рис. 1.19). Домены создаются объединением и чередованием

α-спиралей и β-слоев, между которыми открываются более рыхлые струк-

туры.

Учитывая необходимость для студента-медика основательного знаком-

ства с отдельными группами белков, которые могут служить предметом

изучения в его будущей профессиональной деятельности (например, белки

крови), приводим старую классификацию белков с краткой характеристи-

кой новых данных о структуре, составе и свойствах отдельных представи-

телей. Согласно этой классификации, обширный класс белковых веществ

в зависимости от химического состава делят на простые и сложные белки *.

Простые белки построены из остатков аминокислот и при гидролизе

распадаются соответственно только на свободные аминокислоты.

Сложные белки – это двухкомпонентные белки, которые состоят из

какого-либо простого белка и небелкового компонента, называемого про-

с т е т и ч е с к о й группой. При гидролизе сложных белков, помимо сво-

бодных аминокислот, освобождается небелковая часть или продукты ее

распада.

Простые белки в свою очередь делятся на основании некоторых условно

выбранных критериев на ряд подгрупп: протамины, гистоны, альбумины,

глобулины, проламины, глютелины и др. Классификация сложных белков

(см. главу 2) основана на химической природе входящего в их состав

небелкового компонента. В соответствии с этим различают фосфопротеины

(содержат фосфорную кислоту), хромопротеины (в состав их входят пиг-

менты), нуклеопротеины (содержат нуклеиновые кислоты), гликопротеины

(содержат углеводы), липопротеины (содержат липиды) и металлопротеины

(содержат металлы).

* Деление белков на простые и сложные, по всей вероятности, является условным,

поскольку многие белки, традиционно рассматриваемые как простые (например, яичный

альбумин), на самом деле оказываются сложными, так как содержат небелковый компонент,

чаще всего углеводной или липидной природы, либо какой-либо металл (см. главу 2).

72