Биологическая химия - часть 18

несколько аминокислотных остатков L-ряда замещают остатками D-

аминокислот. Подобная замена, не вызывая снижения биоактивности,

защищает пептид от воздействия протеиназ тканей, способствуя пролон-

гированию эффекта препарата.

Среди естественно встречающихся небольших пептидов следует указать

на антибиотик грамицидин S, выделенный из Bacillus brevis и представ-

ляющий собой циклический декапептид:

Как видно, в структуре грамицидина S имеются 2 остатка орнитина

(Орн), производные аминокислоты аргинина и 2 остатка неприродных

D-изомеров фенилаланина. Стрелки указывают направление синтеза от

NН

2

-групп к СООН-группам каждого остатка, и вследствие цикличности

грамицидин S не имеет конца.

Широкое применение, особенно в пищевой промышленности, в качестве

заменителя сахара получил искусственный (генноинженерный синтез) ди-

пептид, состоящий из L-изомеров аспарагиновой кислоты и метилового

эфира фенилаланина, названный аспартамом:

Аспартам в сотни раз слаще сахара и легко распадается в организме на

две свободные аминокислоты, абсолютно безвредные для организма; по-

этому он рекомендован в качестве заменителя сахара больным диабетом.

Это пример пептида, наделенного огромным биологическим эффектом.

Грамицидин S

Аспартам

Глава 2

ХИМИЯ СЛОЖНЫХ БЕЛКОВ

Сложные белки, как было отмечено, содержат два компонента – простой

белок и небелковое вещество. Последнее называют простетической группой

(от греч. prostheto – присоединяю). Простетические группы, как правило,

прочно связаны с белковой молекулой. Далее представлены сведения

о химической природе и биологической роли некоторых сложных белков.

ХРОМОПРОТЕИНЫ

Хромопротеины (от греч. chroma – краска) состоят из простого белка

и связанного с ним окрашенного небелкового компонента. Различают

гемопротеины (содержат в качестве простетической группы железо), маг-

нийпорфирины и флавопротеины (содержат производные изоаллоксазина).

Хромопротеины наделены рядом уникальных биологических функций: они

участвуют в таких фундаментальных процессах жизнедеятельности, как

фотосинтез, дыхание клеток и целостного организма, транспорт кислорода

и диоксида углерода, окислительно-восстановительные реакции, свето-

и цветовосприятие и др.

Таким образом, хромопротеины играют исключительно важную роль

в процессах жизнедеятельности. Например, подавление дыхательной функ-

ции гемоглобина путем введения оксида углерода (СО) либо утилизации

(потребление) кислорода в тканях путем введения синильной кислоты или ее

солей (цианидов), ингибирующих ферментные системы клеточного ды-

хания, моментально приводит к смерти организма.

Хромопротеины являются непременными и активными участниками

аккумулирования энергии, начиная от фиксации солнечной энергии в зе-

леных растениях и утилизации ее до превращений в организме животных

и человека. Хлорофилл (магнийпорфирин) вместе с белком обеспечивает

фотосинтетическую активность растений, катализируя расщепление мо-

лекулы воды на водород и кислород (поглощением солнечной энергии).

Гемопротеины (железопорфирины), напротив, катализируют обратную

реакцию – образование молекулы воды, связанное с освобождением энер-

гии.

Гемопротеины

К группе гемопротеинов относятся гемоглобин и его производные, миогло-

бин, хлорофиллсодержащие белки и ферменты (вся цитохромная система,

каталаза и пероксидаза). Все они содержат в качестве небелкового компо-

нента структурно сходные железо- (или магний)порфирины, но различные

по составу и структуре белки, обеспечивая тем самым разнообразие их

биологических функций. Далее более подробно рассмотрено химическое

строение гемоглобина, наиболее важного для жизнедеятельности человека

и животных соединения.

78

Гемоглобин в качестве белкового компонента содержит глобин, а не-

белкового – гем. Видовые различия гемоглобина обусловлены глобином,

в то время как гем одинаков у всех видов гемоглобина.

Основу структуры простетической группы большинства гемосодержа-

щих белков составляет порфириновое кольцо, являющееся в свою очередь

производным тетрапиррольного соединения – порфирина. Последний со-

стоит из четырех замещенных пирролов:

соединенных между собой метиновыми мостиками (—СН=). Незамещен-

ный порфирин называется порфином. В молекуле гема порфин представлен

в виде протопорфирина IX, содержащего четыре метильные группы

(—СН

3

), две винильные группы (—СН=СН

2

) и два остатка пропионовой

кислоты. Протопорфирин, присоединяя железо, превращается в гем *.

Из формулы видно, что железо связано с двумя атомами азота мо-

лекулы протопорфирина ковалентно и с двумя другими – координацион-

ными связями, обозначенными пунктирными линиями. В зависимости от

химической природы групп, находящихся в боковой цепи, порфирины

классифицируют на этио-, мезо-, копро- и протопорфирины. Последние

наиболее распространены в природе. Из возможных 15 изомеров про-

топорфиринов благодаря наличию трех разных заместителей самым рас-

пространенным оказался протопорфирин IX.

Гем в виде гем-порфирина является простетической группой не только

гемоглобина и его производных, но и миоглобина, каталазы, пероксидазы

и цитохромов b, с и c

1

 (см. главу 9); в то же время в цитохромах а и a

3

,

входящих в состав интегрального комплекса, названного цитохромокси-

дазой, содержится гем а, называемый также формилпорфирином:

* Структура гема расшифрована в основном благодаря работам М.В. Ненцкого и

Г. Фишера.

79

Протопорфирин IX

(1,3,5,8-тетраметил-2,4-дивинил-

6,7-Дипропионовокислый порфин)

Гем

Гем а вместо метильной группы содержит формильный остаток (в 8-м

положении) и вместо одной винильной группы (во 2-м положении) – изопре-

ноидную цепь. Железо своими четырьмя связями образует комплекс

с порфирином, а оставшиеся 5-я и 6-я координационные связи железа

в молекулах гемоглобина и цитохромов связываются с белковыми компо-

нентами по-разному. В частности, в гемоглобинах (и миоглобине) благо-

даря 5-й координационной связи железо соединяется с атомом азота

имидазольной группы гистидина белковой молекулы. Шестая координа-

ционная связь железа предназначена для присоединения кислорода (с

образованием оксигемоглобина и оксимиоглобина) или других лигандов:

СО, цианидов и др. (рис. 2.1). В цитохромах, напротив, и 5-я, и 6-я

координационные связи железа соединены с остатками гистидина и метио-

нина (в цитохроме с обе винильные группы соединены еще и с остатками

цистеина) белковой молекулы. Этим, вероятнее всего, могут быть объясне-

ны функции железа в гемоглобине, валентность которого не изменяется при

присоединении кислорода (в отличие от валентности железа в цитохромах):

в гемоглобине железо остается двухвалентным независимо от присоеди-

нения или отдачи кислорода.

Структурная организация гемоглобина (и миоглобина) была описана

в главе 1. Дж. Кендрью и М. Перутц расшифровали конформацию этих

молекул (Нобелевская премия 1962 г.). Дыхательная функция гемоглобина

крови подробно рассматривается в курсе физиологии. Здесь следует указать

на уникальную роль гемоглобина в траспорте кислорода от легких к тканям

и диоксида углерода от тканей к легким. Это элементарное проявление

жизни – дыхание, хотя и выглядит простым, основано на взаимодействии

многих типов атомов в гигантской молекуле гемоглобина. Подсчитано, что

в одном эритроците содержится около 340000000 молекул гемоглобина,

каждая из которых состоит примерно из 10

3

 атомов С, Н, О, N, S и 4 атомов

железа.

Атом железа расположен в центре гема-пигмента, придающего крови

характерный красный цвет. Каждая из 4 молекул гема «обернута» одной

полипептидной цепью. В молекуле гемоглобина взрослого человека HbА

80

Гем а (формилпорфирин)