Структура и функции белков. Молекулы белка представляют собой. К гидрофобным соединениям клетки относятся

Существуют несколько подходов к классификации белков: по форме белковой молекулы, по составу белка, по функциям. Рассмотрим их.

Классификация по форме белковых молекул

По форме белковых молекул различают фибриллярные белки и глобулярные белки.

Фибриллярные белки представляют собой длинные нитевидные молекулы, полипептидные цепи которых вытянуты вдоль одной оси и скреплены друг с другом поперечными сшивками (рис. 18,б). Эти белки отличаются высокой механической прочностью, нерастворимы в воде. Они выполняют главным образом структурные функции: входят в состав сухожилий и связок (коллаген, эластин), образуют волокна шелка и паутины (фиброин), волосы, ногти, перья (кератин).

В глобулярных белках одна или несколько полипептидных цепей свернуты в плотную компактную структуру – клубок (рис. 18,а). Эти белки, как правило, хорошо растворимы в воде. Их функции многообразны. Благодаря им осуществляются многие биологические процессы, о чем подробнее будет изложено ниже.

Рис. 18. Форма белковых молекул:

а – глобулярный белок, б – фибриллярный белок

Классификация по составу белковой молекулы

Белки по составу можно разделить на две группы: простые и сложные белки. Простые белки состоят только из аминокислотных остатков и не содержат других химических составляющих. Сложные белки, помимо полипептидных цепей, содержат другие химические компоненты.

К простым белкам относятся РНКаза и многие другие ферменты. Фибриллярные белки коллаген, кератин, эластин по своему составу являются простыми. Запасные белки растений, содержащиеся в семенах злаков, – глютелины , и гистоны – белки, формирующие структуру хроматина, принадлежат также к простым белкам.

Среди сложных белков различают металлопротеины, хромопротеины, фосфопротеины, гликопротеины, липопротеины и др. Рассмотрим эти группы белков подробнее.

Металлопротеины

К металлопротеинам относят белки, в составе которых имеются ионы металлов. В их молекулах встречаются такие металлы, как медь, железо, цинк, молибден, марганец и др. Некоторые ферменты по своей природе являются металлопротеинами.

Хромопротеины

В составе хромопротеинов в качестве простетической группы присутствуют окрашенные соединения. Типичными хромопротеинами являются зрительный белок родопсин, принимающий участие в процессе восприятие света, и белок крови гемоглобин (Hb), четвертичная структура которого рассмотрена в предыдущем параграфе. В состав гемоглобина входит гем , представляющий собой плоскую молекулу, в центре которой расположен ион Fe 2+ (рис. 19). При взаимодействии гемоглобина с кислородом образуется оксигемоглобин . В альвеолах легких гемоглобин насыщается кислородом. В тканях, где содержание кислорода незначительно, оксигемоглобин распадается с выделением кислорода, который используется клетками:

.

Гемоглобин может образовывать соединение с оксидом углерода (II), которое называется карбоксигемоглобином :

.

Карбоксигемоглобин не способен присоединять кислород. Вот почему происходит отравление угарным газом.

Гемоглобин и другие гем-содержащие белки (миоглобин, цитохромы) называют еще гемопротеинами из-за наличия в их составе гема (рис. 19).

Рис. 19. Гем

Фосфопротеины

Фосфопротеины в своем составе содержат остатки фосфорной кислоты, связанные с гидроксильной группой аминокислотных остатков сложноэфирной связью (рис. 20).

Рис. 20. Фосфопротеин

К фосфопротеинам относится белок молока казеин. В его состав входят не только остатки фосфорной кислоты, но и ионы кальция. Фосфор и кальций необходимы растущему организму в больших количествах, в частности, для формирования скелета. Кроме казеина, в клетках много и других фосфопротеинов. Фосфопротеины могут подвергаться дефосфорилированию, т.е. терять фосфатную группу:

фосфопротеин + Н 2 протеин + Н 3 РО 4

Дефосфорилированные белки могут при определенных условиях быть снова фосфорилированы. От наличия фосфатной группы в их молекуле зависит их биологическая активность. Одни белки проявляют свою биологическую функцию в фосфорилированном виде, другие – в дефосфорилированном. Посредством фосфорилирования – дефосфорилирования регулируются многие биологические процессы.

Липопротеины

К липопротеинам относятся белки, содержащие ковалентно связанные липиды. Эти белки встречаются в составе клеточных мембран. Липидный (гидрофобный) компонент удерживает белок в мембране (рис. 21).

Рис. 21. Липопротеины в клеточной мембране

К липопротеинам относят также белки крови, участвующие в транспорте липидов и не образующие с ними ковалентную связь.

Гликопротеины

Гликопротеины содержат в качестве простетической группы ковалентно связанный углеводный компонент. Гликопротеины разделяют на истинные гликопротеины и протеогликаны . Углеводные группировки истинных гликопротеинов содержат обычно до 15 – 20 моносахаридных компонентов, у протеогликанов они построены из очень большого числа моносахаридных остатков (рис. 22).

Рис. 22. Гликопротеины

Гликопротеины широко распространены в природе. Они встречаются в секретах (слюне и т.д.), в составе клеточных мембран, клеточных стенок, межклеточного вещества, соединительной ткани и т.д. Многие ферменты и транспортные белки являются гликопротеинами.

Классификация по функциям

По выполняемым функциям белки можно разделить на структурные, питательные и запасные белки, сократительные, транспортные, каталитические, защитные, рецепторные, регуляторные и др.

Структурные белки

К структурным белкам относятся коллаген, эластин, кератин, фиброин. Белки принимают участие в формировании клеточных мембран, в частности, могут образовывать в них каналы или выполнять другие функции (рис. 23).

Рис. 23. Клеточная мембрана.

Питательные и запасные белки

Питательным белком является казеин, основная функция которого заключается в обеспечении растущего организма аминокислотами, фосфором и кальцием. К запасным белкам относятся яичный белок, белки семян растений. Эти белки потребляются во время развития зародышей. В организме человека и животных белки в запас не откладываются, они должны систематически поступать с пищей, в противном случае может развиться дистрофия.

Сократительные белки

Сократительные белки обеспечивают работу мышц, движение жгутиков и ресничек у простейших, изменение формы клеток, перемещение органелл внутри клетки. Такими белками являются миозин и актин. Эти белки присутствуют не только в мышечных клетках, их можно обнаружить в клетках практически любой ткани животных.

Транспортные белки

Гемоглобин, рассмотренный в начале параграфа, является классическим примером транспортного белка. В крови присутствуют и другие белки, обеспечивающие транспорт липидов, гормонов и иных веществ. В клеточных мембранах находятся белки, способные переносить через мембрану глюкозу, аминокислоты, ионы и некоторые другие вещества. На рис. 24 схематически показана работа переносчика глюкозы.

Рис. 24. Транспорт глюкозы через клеточную мембрану

Белки-ферменты

Каталитические белки, или ферменты, представляют собой самую многообразную группу белков. Почти все химические реакции, протекающие в организме, протекают при участии ферментов. К настоящему времени открыто несколько тысяч ферментов. Более подробно они будут рассмотрены в следующих параграфах.

Защитные белки

К этой группе относятся белки, защищающие организм от вторжения других организмов или предохраняющие его от повреждений. Иммуноглобулины, или антитела, способны распознавать проникшие в организм бактерии, вирусы или чужеродные белки, связываться с ними и способствовать их обезвреживанию.

Другие компоненты крови, тромбин и фибриноген, играют важную роль в процессе свертывания крови. Они предохраняют организм от потери крови при повреждении сосудов. Под действием тромбина от молекул фибриногена отщепляются фрагменты полипептидной цепи, в результате этого образуется фибрин :

фибриноген фибрин.

Образовавшиеся молекулы фибрина агрегируют, формируя длинные нерастворимые цепи. Сгусток крови вначале является рыхлым, затем он стабилизируется за счет межцепочечных сшивок. Всего в процессе свертывания крови участвует около 20 белков. Нарушения в структуре их генов является причиной такого заболевания, как гемофилия – сниженная свертываемость крови.

Рецепторные белки

Клеточная мембрана является препятствием для многих молекул, в том числе и для молекул, предназначенных для передачи сигнала внутрь клеток. Тем не менее клетка способна получать сигналы извне благодаря наличию на ее поверхности специальных рецепторов, многие из которых являются белками. Сигнальная молекула, например, гормон, взаимодействуя с рецептором, образует гормон-рецепторный комплекс, сигнал от которого передается далее, как правило, на белковый посредник. Последний запускает серию химических реакций, результатом которых является биологический ответ клетки на воздействие внешнего сигнала (рис. 25).

Рис.25. Передача внешних сигналов в клетку

Регуляторные белки

Белки, участвующие в управлении биологическими процессами, относят к регуляторным белкам. К ним принадлежат некоторые гормоны . Инсулин и глюкагон регулируют уровень глюкозы в крови. Гормон роста, определяющий размеры тела, и паратиреоидный гормон, регулирующий обмен фосфатов и ионов кальция, являются регуляторными белками. К этому классу белков принадлежат и другие протеины, участвующие в регуляции обмена веществ.

Интересно знать! В плазме некоторых антарктических рыб содержатся белки со свойствами антифриза, предохраняющие рыб от замерзания, а у ряда насекомых в местах прикрепления крыльев находится белок резилин, обладающий почти идеальной эластичностью. В одном из африканских растений синтезируется белок монеллин с очень сладким вкусом.

Чтобы представить, какое значение имеют белки, достаточно вспомнить широко известную фразу Фридриха Энгельса: «Жизнь - есть способ существования белковых тел». На самом деле на Земле эти вещества наряду с нуклеиновыми кислотами обуславливают все проявления живой материи. В данной работе мы выясним, из чего состоит белок, изучим, какую функцию он выполняет, а также определим особенности строения различных видов.

Пептиды - высокоорганизованные полимеры

Действительно, в живой клетке как растительной, так и животной, белки количественно преобладают над другими органическими веществами, а также выполняют наибольшее количество разнообразных функций. Они участвуют во множестве различных очень важных клеточных процессов, таких как движение, защита, сигнальная функция и так далее. Например, в мышечной ткани животных и человека пептиды составляют до 85 % от массы сухого вещества, а в костной и дерме - от 15-50 %.

Все клеточные и тканевые белки состоят из видов). Их количество в живых организмах всегда равно двадцати видам. Различные комбинации мономеров пептидов образуют разнообразие белков в природе. Оно исчисляется астрономическим числом 2х10 18 возможных видов. В биохимии полипептиды называют высокомолекулярными биологическими полимерами - макромолекулами.

Аминокислоты - мономеры протеинов

Все 20 видов этих химических соединений являются структурными единицами белков и имеют общую формулу NH 2 -R-COOH. Они являются амфотерными органическими веществами, способными проявлять как основные, так и кислотные свойства. Не только простые белки, но и сложные, содержат так называемые заменимые аминокислоты. А вот незаменимых мономеров, например, таких как, валин, лизин, метионин можно встретить только в некоторых протеины именуют полноценными.

Поэтому, характеризуя полимер учитывают не только из скольких аминокислот состоит белок, но и какие именно мономеры соединяются пептидными связями в макромолекулу. Добавим еще, что заменимые аминокислоты, такие как аспарагин, глютаминовая кислота, цистеин могут самостоятельно синтезироваться в клетках человека и животных. Незаменимые образуются в клетках бактерий, растений и грибов. Они поступают в гетеротрофные организмы только с пищей.

Как образуется полипептид

Как известно, 20 различных аминокислот могут соединяться во множество всевозможных белковых молекул. Как же происходит связывание мономеров между собой? Оказывается, что карбоксильные и аминные группы рядом лежащих аминокислот взаимодействуют между собой. Образуются так называемые пептидные связи, а молекулы воды выделяются как побочный продукт реакции поликонденсации. Образовавшиеся молекулы белков состоят из остатков аминокислот и многократно повторяющихся пептидных связей. Поэтому их еще называют полипептидами.

Часто протеины могут содержать не одну, а сразу несколько полипептидных цепей и состоять из многих тысяч аминокислотных остатков. Более того, простые белки, а также протеиды способны усложнять свою пространственную конфигурацию. При этом создается не только первичная, но и вторичная, третичная и даже четвертичная структура. Рассмотрим этот процесс более детально. Продолжая изучать вопрос: из чего состоит белок, выясним какую же конфигурацию имеет эта макромолекула. Выше мы установили, что полипептидная цепь содержит множество ковалентных химических связей. Именно такая структура называется первичной.

В ней важную роль играет количественный и качественный состав аминокислот, а также последовательности их соединения. Вторичная структура возникает в момент образования спирали. Она стабилизируется многими вновь возникающими водородными связями.

Высшие уровни организации белков

Третичная структура появляется в результате упаковывания спирали в виде шара - глобулы, например, ткани миоглобин имеет именно такую пространственную структуру. Она поддерживается, как вновь образующимися водородными связями, так и дисульфидными мостиками (если в молекулу белка входит несколько остатков цистеина). Четвертичная форма - это результат объединения в единую структуру сразу нескольких белковых глобул посредством новых видов взаимодействий, например, гидрофобных или электростатических. Наряду с пептидами в четвертичную структуру входят и небелковые части. Ими могут быть ионы магния, железа, меди или же остатки ортофосфатной или нуклеиновых кислот, а также липиды.

Особенности биосинтеза протеинов

Ранее нами было выяснено из чего состоит белок. Он построен из последовательности аминокислот. Их сборка в полипептидную цепь происходит в рибосомах - немембранных органеллах растительных и животных клеток. В самом процессе биосинтеза также принимают участие молекулы информационной и Первые являются матрицей для сборки белка, а вторые транспортируют различные аминокислоты. В процессе клеточного биосинтеза возникает дилемма, а именно, белок состоит из нуклеотидов или аминокислот? Ответ однозначный - полипептиды как простые, так и сложные состоят из амфотерных органических соединений - аминокислот. В жизненном цикле клетки существуют периоды её деятельности, когда синтез белков происходит особенно активно. Это так называемые стадии J1 и J2 интерфазы. В это время клетка активно растет и нуждается в большом количестве строительного материала, которым и является белок. Кроме того, в результате митоза, заканчивающегося образованием двух дочерних клеток, каждая из них нуждается в большом количестве органических веществ, поэтому на каналах гладкой эндоплазматической сети идет активный синтез липидов и углеводов, а на гранулярной ЭПС происходит биосинтез белков.

Функции белков

Зная из чего состоит белок, можно объяснить как огромное разнообразие их видов, так и уникальные свойства, присущие эти веществам. Белки выполняют в клетке самые разнообразные функции, например, строительную, так как входят в состав мембран всех клеток и органоидов: митохондрий, хлоропластов, лизосом, комплекса Гольджи и так далее. Такие пептиды, как гамоглобулины или антитела - это примеры простых белков, выполняющих защитную функцию. Иными словами, клеточный иммунитет - это результат действия данных веществ. Сложный белок - гемоцианин, наряду с гемоглобином, выполняет у животных транспортную функцию, то есть переносит кислород в крови. Сигнальные белки, входящие в состав клеточных мембран, обеспечивают информирование самой клетки о веществах, пытающихся попасть в её цитоплазму. Пептид альбумин отвечает за основные показатели крови, например, за её способность к свертыванию. Белок куриных яиц овальбумин запасется в клетке и служит основным источником питательных веществ.

Белки - основа цитосклета клетки

Одна из важных функций пептидов - опорная. Она очень важна для сохранения формы и объема живых клеток. Так называемые подмембранные структуры - микротрубочки и микронити переплетаясь образуют внутренний скелет клетки. Белки, входящие в их состав, например, тубулин, способны легко сжиматься и растягиваться. Это помогает клетке сохранить свою форму при различных механических деформациях.

В растительных клетках, наряду с белками гиалоплазмы, опорную функцию выполняют также тяжи цитоплазмы - плазмодесмы. Проходя через поры в клеточной стенке, они обуславливают взаимосвязь между рядом лежащими клеточными структурами, образующими растительную ткань.

Ферменты - вещества белковой природы

Одно из важнейших свойств протеинов - их влияние на скорость протекания химических реакций. Основные белки способны к частичной денатурации - процессу раскручивания макромолекулы в третичной или четвертичной структуре. Сама же полипептидная цепь при этом не разрушается. Частичная денатурация лежит в основе как сигнальной, так и Последнее свойство представляет собой способность ферментов влиять на скорость протекания биохимических реакций в ядре и цитоплазме клетки. Пептиды, которые, наоборот, снижают скорость химических процессов принято называть не ферментами, а ингибиторами. Например, простой белок каталаза является ферментом, который ускоряет процесс расщепления токсического вещества пероксида водорода. Оно образуется как конечный продукт многих химических реакций. Каталаза ускоряет его утилизацию до нейтральных веществ: воды и кислорода.

Свойства белков

Пептиды классифицируют по многим признакам. Например, по отношению к воде их можно разделить на гидрофильные и гидрофобные. Температура также по-разному влияет на структуру и свойства белковых молекул. К примеру, белок кератин - компонент ногтей и волос может выдерживать как низкую, так и высокую температуру, то есть является термолабильным. А вот белок овальбумин, уже упоминающийся ранее, при нагревании до 80-100 °С полностью разрушается. Это значит, что его первичная структура расщепляется на остатки аминокислот. Такой процесс называется деструкцией. Какие бы условия мы не создавали, в нативную форму белок возвратится уже не может. Двигательные белки - актин и милозин присутствуют в мышечных волокнах. Их поочередное сокращение и расслабление лежит в основе работы мышечной ткани.

Как известно, белки - основа зарождения жизни на нашей планете. По именно коацерватная капля, состоящая из молекул пептидов, стала основой зарождения живого. Это и не вызывает сомнений, ведь анализ внутреннего состава любого представителя биомассы показывает, что эти вещества есть во всем: растениях, животных, микроорганизмах, грибах, вирусах. Причем они очень разнообразны и макромолекулярны по природе.

Названий у этих структур четыре, все они являются синонимами:

• белки;
• протеины;
• полипептиды;
• пептиды.

Белковые молекулы

Их количество поистине неисчислимо. При этом все белковые молекулы можно разделить на две большие группы:

• простые - состоят только из аминокислотных последовательностей, соединенных пептидными связями;
• сложные - строение и структура белка характеризуются дополнительными протолитическими (простетическими) группами, называемыми еще кофакторами.

При этом сложные молекулы также имеют свою классификацию.

Градация сложных пептидов

1. Гликопротеиды - тесно связанные соединения белка и углевода. В структуру молекулы вплетаются простетические группы мукополисахаридов.
2. Липопротеиды - комплексное соединение из белка и липида.
3. Металлопротеиды - в качестве простетической группы выступают ионы металлов (железо, марганец, медь и другие).
4. Нуклеопротеиды - связь белка и нуклеиновых кислот (ДНК, РНК).
5. Фосфопротеиды - конформация протеина и остатка ортофосфорной кислоты.
6. Хромопротеиды - очень схожи с металлопротеидами, однако элемент, входящий в состав простетической группы, представляет собой целый окрашенный комплекс (красный - гемоглобин, зеленый - хлорофилл и так далее).

У каждой рассмотренной группы строение и свойства белков различны. Функции, которые они выполняют, также варьируются в зависимости от типа молекулы.

Химическое строение белков

С данной точки зрения протеины - это длинная, массивная цепь аминокислотных остатков, соединяющихся между собой специфическими связями, называемыми пептидными. От боковых структур кислот отходят ответвления - радикалы. Такое строение молекулы было открыто Э. Фишером в начале XXI века.

Позже более подробно были изучены белки, строение и функции белков. Стало ясно, что аминокислот, образующих структуру пептида, всего 20, но они способны комбинироваться самым разным способом. Отсюда и разнообразие полипептидных структур. Кроме того, в процессе жизнедеятельности и выполнения своих функций белки способны претерпевать ряд химических превращений. В результате они меняют структуру, и появляется уже совсем новый тип соединения.

Чтобы разорвать пептидную связь, то есть нарушить белок, строение цепей, нужно подобрать очень жесткие условия (действие высоких температур, кислот или щелочей, катализатора). Это объясняется высокой прочностью в молекуле, а именно в пептидной группе.

Обнаружение белковой структуры в условиях лаборатории проводится при помощи биуретовой реакции - воздействия на полипептид свежеосажденным (II). Комплекс пептидной группы и иона меди дает ярко-фиолетовую окраску.

Существует четыре основные структурные организации, каждая из которых имеет свои особенности строения белков.

Уровни организации: первичная структура

Как уже упоминалось выше, пептид - это последовательность аминокислотных остатков с включениями, коферментами или же без них. Так вот первичной называют такую структуру молекулы, которая является природной, естественной, представляет собой истинно аминокислоты, соединенные пептидными связями, и больше ничего. То есть полипептид линейного строения. При этом особенности строения белков такого плана - в том, что такое сочетание кислот является определяющим для выполнения функций белковой молекулы. Благодаря наличию данных особенностей возможно не только идентифицировать пептид, но и предсказать свойства и роль совершенно нового, еще не открытого. Примеры пептидов, обладающих природным первичным строением, - инсулин, пепсин, химотрипсин и другие.

Вторичная конформация

Строение и свойства белков этой категории несколько меняются. Такая структура может сформироваться изначально от природы либо при воздействии на первичную жестким гидролизом, температурой или иными условиями.

Данная конформация имеет три разновидности:

1. Ровные, правильные, стереорегулярные витки, построенные из остатков аминокислот, которые закручиваются вокруг основной оси соединения. Удерживаются вместе только возникающими между кислородом одной пептидной группировки и водородом другой. Причем строение считается правильным из-за того, что витки равномерно повторяются через каждые 4 звена. Такая структура может быть как левозакрученной, так и правозакрученной. Но в большинстве известных белков преобладает правовращающий изомер. Такие конформации принято называть альфа-структурами.
2. Состав и строение белков следующего типа отличается от предыдущего тем, что водородные связи образуются не между рядом стоящими по одной стороне молекулы остатками, а между значительно удаленными, причем на достаточно большое расстояние. По этой причине вся структура принимает вид нескольких волнообразных, извитых змейкой полипептидных цепочек. Есть одна особенность, которую должен проявлять белок. Строение аминокислот на ответвлениях должно быть максимально коротким, как у глицина или аланина, например. Этот тип вторичной конформации носит название бета-листов за способность будто слипаться при образовании общей структуры.
3. Относящееся к третьему типу строение белка биология обозначает как сложные, разноразбросанные, неупорядоченные фрагменты, не обладающие стереорегулярностью и способные изменять структуру под воздействием внешних условий.

Примеров белков, имеющих вторичную структуру от природы, не выявлено.

Третичное образование

Это достаточно сложная конформация, имеющая название "глобула". Что собой представляет такой белок? Строение его основывается на вторичной структуре, однако добавляются новые типы взаимодействий между атомами группировок, и вся молекула словно сворачивается, ориентируясь, таким образом, на то, чтобы гидрофильные группировки были направлены внутрь глобулы, а гидрофобные - наружу.

Этим объясняется заряд белковой молекулы в коллоидных растворах воды. Какие же типы взаимодействий здесь присутствуют?

1. Водородные связи - остаются без изменений между теми же самыми частями, что и во вторичной структуре.
2. взаимодействия - возникают при растворении полипептида в воде.
3. Ионные притяжения - образуются между разнозаряженными группами аминокислотных остатков (радикалов).
4. Ковалентные взаимодействия - способны формироваться между конкретными кислотными участками - молекулами цистеина, вернее, их хвостами.

Таким образом, состав и строение белков, обладающих третичной структурой, можно описать как свернутые в глобулы полипептидные цепи, удерживающие и стабилизирующие свою конформацию за счет разных типов химических взаимодействий. Примеры таких пептидов: фосфоглицераткеназа, тРНК, альфа-кератин, фиброин шелка и другие.

Четвертичная структура

Это одна из самых сложных глобул, которую образуют белки. Строение и функции белков подобного плана очень многогранны и специфичны.

Что собой представляет такая конформация? Это несколько (в некоторых случаях десятки) крупных и мелких полипептидных цепей, которые формируются независимо друг от друга. Но затем за счет тех же взаимодействий, что мы рассматривали для третичной структуры, все эти пептиды скручиваются и переплетаются между собой. Таким образом получаются сложные конформационные глобулы, которые могут содержать и атомы металлов, и липидные группировки, и углеводные. Примеры таких белков: ДНК-полимераза, белковая оболочка табачного вируса, гемоглобин и другие.

Все рассмотренные нами структуры пептидов имеют свои методы идентификации в лабораторных условиях, основанные на современных возможностях использования хроматографии, центрифугирования, электронной и оптической микроскопии и высоких компьютерных технологиях.

Выполняемые функции

Строение и функции белков тесно коррелируют друг с другом. То есть каждый пептид играет определенную роль, уникальную и специфическую. Встречаются и такие, которые способны выполнять в одной живой клетке сразу несколько значительных операций. Однако можно в обобщенном виде выразить основные функции белковых молекул в организмах живых существ:

1. Обеспечение движения. Одноклеточные организмы, либо органеллы, или некоторые виды клеток способны к передвижениям, сокращениям, перемещениям. Это обеспечивается белками, входящими в состав структуры их двигательного аппарата: ресничек, жгутиков, цитоплазматической мембраны. Если же говорить о неспособных к перемещениям клетках, то белки могут способствовать их сокращению (миозин мышц).
2. Питательная или резервная функция. Представляет собой накопление белковых молекул в яйцеклетках, зародышах и семенах растений для дальнейшего восполнения недостающих питательных веществ. При расщеплении пептиды дают аминокислоты и биологически активные вещества, которые необходимы для нормального развития живых организмов.
3. Энергетическая функция. Помимо углеводов, силы организму могут давать и белки. При распаде 1 г пептида высвобождается 17,6 кДж полезной энергии в форме аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), которая расходуется на процессы жизнедеятельности.
4. Сигнальная и Заключается в осуществлении тщательного контроля за происходящими процессами и передачи сигналов от клеток к тканям, от них к органам, от последних к системам и так далее. Типичным примером может служить инсулин, который строго фиксирует количество глюкозы в крови.
5. Рецепторная функция. Осуществляется путем изменения конформации пептида с одной стороны мембраны и вовлечения в реструктуризацию другого конца. При этом и происходит передача сигнала и необходимой информации. Чаще всего такие белки встраиваются в цитоплазматические мембраны клеток и осуществляют строгий контроль над всеми веществами, проходящими через нее. Также оповещают о химических и физических изменениях окружающей среды.
6. Транспортная функция пептидов. Ее осуществляют белки-каналы и белки-переносчики. Роль их очевидна - транспортировка необходимых молекул к местам с низкой концентрацией из частей с высокой. Типичным примером служит перенос кислорода и диоксида углерода по органам и тканям белком гемоглобином. Ими же осуществляется доставка соединений с невысокой молекулярной массой через мембрану клетки внутрь.
7. Структурная функция. Одна из важнейших из тех, которые выполняет белок. Строение всех клеток, их органелл обеспечивается именно пептидами. Они подобно каркасу задают форму и структуру. Кроме того, они же ее поддерживают и видоизменяют в случае необходимости. Поэтому для роста и развития всем живым организмам необходимы белки в рационе питания. К таким пептидам можно отнести эластин, тубулин, коллаген, актин, кератин и другие.
8. Каталитическая функция. Ее выполняют ферменты. Многочисленные и разнообразные, они ускоряют все химические и биохимические реакции в организме. Без их участия обычное яблоко в желудке смогло бы перевариться только за два дня, с большой вероятностью загнив при этом. Под действием каталазы, пероксидазы и других ферментов этот процесс происходит за два часа. В целом именно благодаря такой роли белков осуществляется анаболизм и катаболизм, то есть пластический и

Защитная роль

Существует несколько типов угроз, от которых белки призваны оберегать организм.

Во-первых, травмирующих реагентов, газов, молекул, веществ различного спектра действия. Пептиды способны вступать с ними в химическое взаимодействие, переводя в безобидную форму или же просто нейтрализуя.

Во-вторых, физическая угроза со стороны ран - если белок фибриноген вовремя не трансформируется в фибрин на месте травмы, то кровь не свернется, а значит, закупорка не произойдет. Затем, наоборот, понадобится пептид плазмин, способный сгусток рассосать и восстановить проходимость сосуда.

В-третьих, угроза иммунитету. Строение и значение белков, формирующих иммунную защиту, крайне важны. Антитела, иммуноглобулины, интерфероны - все это важные и значимые элементы лимфатической и иммунной системы человека. Любая чужеродная частица, вредоносная молекула, отмершая часть клетки или целая структура подвергается немедленному исследованию со стороны пептидного соединения. Именно поэтому человек может самостоятельно, без помощи лекарственных средств, ежедневно защищать себя от инфекций и несложных вирусов.

Физические свойства

Строение белка клетки весьма специфично и зависит от выполняемой функции. А вот физические свойства всех пептидов схожи и сводятся к следующим характеристикам.

1. Вес молекулы - до 1000000 Дальтон.
2. В водном растворе формируют коллоидные системы. Там структура приобретает заряд, способный варьироваться в зависимости от кислотности среды.
3. При воздействии жестких условий (облучение, кислота или щелочь, температура и так далее) способны переходить на другие уровни конформаций, то есть денатурировать. Данный процесс в 90% случаев необратим. Однако существует и обратный сдвиг - ренатурация.

Это основные свойства физической характеристики пептидов.

Более 4 млрд лет назад на Земле из маленьких неорганических молекул непостижимым образом возникли белки, ставшие строительными бло-ками живых организмов. Своим бес-конечным разнообразием всё живое обязано именно уникальным молеку-лам белка, и иные формы жизни во Вселенной науке пока неизвестны.

Белки, или протеины (от греч. «протос» — «первый»), — это природ-ные органические соединения, кото-рые обеспечивают все жизненные процессы любого организма. Из бел-ков построены хрусталик глаза и па-утина, панцирь черепахи и ядовитые вещества грибов... С помощью белков мы перевариваем пищу и боремся с болезнями. Благодаря особым белкам по ночам светятся светлячки, а в глу-бинах океана мерцают таинствен-ным светом медузы.

Белковых молекул в живой клетке во много раз больше, чем всех других (кроме воды, разумеется!). Учёные вы-яснили, что у большинства организ-мов белки составляют более полови-ны их сухой массы. И разнообразие видов белков очень велико — в одной клетке такого маленького организма, как бактерия Escherichia сой" (см. до-полнительный очерк «Объект иссле-дования — прокариоты»), насчиты-вается около 3 тыс. различных белков.

Впервые белок был выделен (в ви-де клейковины) в 1728 г. итальянцем Якопо Бартоломео Беккари (1682— 1766) из пшеничной муки. Это собы-тие принято считать рождением хи-мии белка. С тех пор почти за три столетия из природных источников получены тысячи различных белков и исследованы их свойства.

БИОЛОГИЧЕСКИЕ «БУСЫ»

Молекула белка очень длинная. Хими-ки называют такие молекулы поли-мерными (от греч. «поли» — «много» и «мерос» — «часть», «доля»). Действи-тельно, длинная молекула полимера состоит из множества маленьких мо-лекул, связанных друг с другом. Так нанизываются на нить бусинки в ожерелье. В полимерах роль нити иг-рают химические связи между бусин-ками-молекулами.

Секрет белков спрятан в особен-ностях этих самых бусинок. Боль-шинство полимеров не принимает устойчивой формы в пространстве, уподобляясь тем же бусам, у которых и не может быть пространственной структуры: повесишь их на шею — они примут форму кольца или овала, положишь в коробку — свернутся в клубок неопределённой формы. А те-перь представим себе, что некоторые бусинки могут «слипаться» друг с другом. Например, красные притяги-ваются к жёлтым. Тогда вся цепочка примет определённую форму, обязан-ную своим существованием «слипа-нию» жёлтых и красных бусинок

Нечто подобное происходит и в белках. Отдельные маленькие моле-кулы, входящие в состав белка, обла-дают способностью «слипаться», так как между ними действуют силы при-тяжения. В результате у любой белко-вой цепи есть характерная только для неё пространственная структура. Именно она определяет чудесные свойства белков. Без такой структуры они не могли бы выполнять те функ-ции, которые осуществляют в живой клетке.

При длительном кипячении бел-ков в присутствии сильных кислот или щелочей белковые цепи распада-ются на составляющие их молекулы,

Называемые аминокислотами. Амино-кислоты — это и есть те «бусинки», из которых состоит белок, и устроены они сравнительно просто.

КАК УСТРОЕНА АМИНОКИСЛОТА

В каждой молекуле аминокислоты есть атом углерода, связанный с четырьмя заместителями. Один из них — атом водорода, второй — кар-боксильная группа —СООН. Она лег-ко «отпускает на волю» ион водоро-да Н+, благодаря чему в названии аминокислот и присутствует слово «кислота». Третий заместитель — ами-ногруппа — NH 2 и, наконец, четвёр-тый заместитель — группа атомов, ко-торую в общем случае обозначают R . У всех аминокислот R-группы разные, и каждая из них играет свою, очень важную роль.

Свойства «бусинок», отличающие одну аминокислоту от другой, скры-ты в R-группах (их ещё называют бо-ковыми цепями). Что же касается группы — СООН, то химики-органи-ки относятся к ней с большим почте-нием: всем другим атомам углерода в молекуле даются обозначения в зави-симости от степени их удалённости от карбоксильной группы. Ближай-ший к ней атом именуют а-атомом, второй — в-атомом, следующий — у -атомом и т. д. Атом углерода в ами-нокислотах, который находится бли-же всех к карбоксильной группе, т. е. а-атом, связан также с аминогруппой, поэтому природные аминокислоты, входящие в состав белка, называют а-аминокислотами.

В природе встречаются также ами-нокислоты, в которых NH^-группа связана с более отдалёнными от кар-боксильной группы атомами углеро-да. Однако для построения белков природа выбрала именно а-аминокислоты. Это обусловлено прежде всего тем, что только а-аминокислоты, соединённые в длинные цепи, способны обеспечить достаточную прочность и устойчивость структуры больших белковых молекул.

Число а-аминокислот, различа-ющихся R-группой, велико. Но чаще других в белках встречается всего 20 разных аминокислот. Их можно рас-сматривать как алфавит «языка» бел-ковой молекулы. Химики называют эти главные аминокислоты стандарт-ными, основными или нормальными. Условно основные аминокислоты де-лят на четыре класса.

В первый входят аминокислоты с неполярными боковыми цепями. Во второй — аминокислоты, со-держащие полярную группу. Следую-щие два составляют аминокислоты с боковыми цепями, которые могут заряжаться положительно (они объе-диняются в третий класс) или отрица-тельно (четвёртый). Например, диссо-циация карбоксильной группы даёт анион — СОО-, а протонирование ато-ма азота — катион, например — NH 3 + . Боковые цепи аспарагиновой и глута-миновой кислот имеют ещё по одной карбоксильной группе —СООН, кото-рая при значениях рН, характерных для живой клетки (рН = 7), расстаётся с ионом водорода (Н+) и приобрета-ет отрицательный заряд. Боковые це-пи аминокислот лизина, аргинина и гистидина заряжены положительно, поскольку у них есть атомы азота, ко-торые, наоборот, могут ион водорода присоединять.

Каждая а-аминокислота (кроме глицина) в зависимости от взаимно-го расположения четырёх заместите-лей может существовать в двух фор-мах. Они отличаются друг от друга, как предмет от своего зеркального от-ражения или как правая рука от ле-вой. Такие соединения получили название хоральных (от грен. «хир» — «рука»). Хиральные молекулы открыл в 1848 г. великий французский учё-ный Луи Пастер. Два типа оптических изомеров органических молекул по-лучили названия Д-форма (от лат. dexter — «правый») и Z-форма (от лат. laevus — «левый»). Кстати, одно из названий других хиральных моле-кул — глюкозы и фруктозы — декст-роза и левулоза. Примечательно, что в состав белков входят только Z-ами нокислоты, и вся белковая жизнь на Земле — «левая».

Для нормальной жизнедеятельно-сти организм нуждается в полном на-боре из 20 основных a-Z-аминокислот. Но одни из них могут быть синтезиро-ваны в клетках самого организма, а другие — должны поступать в готовом виде из пищевых продуктов. В пер-вом случае аминокислоты называют заменимыми, а во втором — незамени-мыми. Набор последних для разных организмов различен. Например, для белой крысы незаменимыми являют-ся 10 аминокислот, а для молочнокислых бактерий — 16. Растения могут са-мостоятельно синтезировать самые разнообразные аминокислоты, созда-вать такие, которые не встречаются в белках.

Для удобства 20 главных амино-кислот обозначают символами, ис-пользуя одну или первые три буквы русского или английского названия аминокислоты, например аланин — Ала или А, глицин — Гли или G .

ЧТО ТАКОЕ ПЕПТИД

Полимерная молекула белка образует-ся при соединении в длинную цепоч-ку бусинок-аминокислот. Они нани-зываются на нить химических связей благодаря имеющимся у всех амино-кислот амино- и карбоксильной груп-пам, присоединённым к а-атому угле-рода.

Образующиеся в результате такой реакции соединения называются пеп-тидами; (—СО— NH —группировка в них — это пептидная группа, а связь между атомами углерода и азота — пептидная связь (её ещё называют амидной). Соединяя аминокислоты посредством пептидных связей, мож-но получить пептиды, состоящие из остатков очень многих аминокислот. Такие соединения получили название полипептиды. Полипептидное стро-ение белковой молекулы доказал в 1902 г. немецкий химик Эмиль Гер-ман Фишер.

На концах аминокислотной це-почки находятся свободные амино-и карбоксильная группы; эти концы цепочки называют N - и С-концами. Аминокислотные остатки в полипеп-тидной цепочке принято нумеровать с N-конца.

Общее число аминокислотных ос-татков в белковой молекуле изменя-ется в очень широких пределах. Так, человеческий инсулин состоит из 51 аминокислотного остатка, а лизо-цим молока кормящей матери — из 130. В гемоглобине человека 4 ами-нокислотные цепочки, каждая из которых построена из примерно 140 аминокислот. Существуют белки, имеющие почти 3 тыс. аминокис-лотных остатков в единой цепи.

Молекулярные массы белков лежат в диапазоне примерно от 11 тыс. для малых белков, состоящих из 100 ами-нокислотных остатков, до 1 млн и бо-лее для белков с очень длинными полипептидными цепями или для белков, состоящих из нескольких по-липептидных цепей.

Возникает вопрос: как же всё ог-ромное многообразие белков с раз-личными функциями и свойствами может быть создано всего из 20 мо-лекул? А разгадка этого секрета при-роды проста — каждый белок имеет свой неповторимый аминокислот-ный состав и уникальный порядок со-единения аминокислот, называемый первичной структурой белка.

СПИРАЛИ И СЛОИ

В начале 50-х гг. XX в. американские химики Лайнус Карл Полинг (1901— 1994), награждённый Нобелевской премией за исследования природы химической связи, и Роберт Кори (1897—1971) предположили, что не-которые участки аминокислотной це-почки в белках закручены в спираль. Благодаря совершенствованию экс-периментальных методов (структуру белков изучают с помощью рентгенов-ских лучей) через несколько лет эта гениальная догадка подтвердилась.

Действительно, полипептидные цепи очень часто образуют спираль, закрученную в правую сторону. Это первый, самый низкий уровень про-странственной организации белко-вых цепочек Здесь-то и начинают иг-рать роль слабые взаимодействия «бусинок»-аминокислот: группа С=0 и группа N — H из разных пептидных связей могут образовывать между со-бой водородную связь. Оказалось, что в открытой Полингом и Кори спирали такая связь образована меж-ду группой С=0 каждой г-й аминокис-лоты и группой N — H (i + 4)-й амино-кислоты, т. е. между собой связаны аминокислотные остатки, отстоящие друг от друга на четыре «бусинки». Эти водородные связи и стабилизиру-ют такую спираль в целом. Она полу-чила название a.-спирали.

Позднее выснилось, что а-спираль — не единственный способ ук-ладки аминокислотных цепочек. По-мимо спиралей они образуют ещё и слои. Благодаря всё тем же водород-ным связям между группами С=0 и N — H друг с другом могут «слипаться» сразу несколько разных фрагментов одной полипептидной цепи. В резуль-тате получается целый слой — его на-звали ^-слоем.

В большинстве белков а-спирали и р-слои перемежаются всевозможными изгибами и фрагментами цепи без какой-либо определённой структуры. Когда имеют дело с пространствен-ной структурой отдельных участков белка, говорят о вторичной структу-ре белковой молекулы.

БЕЛОК В ПРОСТРАНСТВЕ

Для того чтобы получить полный «портрет» молекулы белка, знания первичной и вторичной структуры недостаточно. Эти сведения ещё не дают представления ни об объёме, ни о форме молекулы, ни тем более о расположении участков цепи по отношению друг к другу. А ведь все спирали и слои каким-то образом размещены в пространстве. Общая пространственная структура поли-пептидной цепи называется третич-ной структурой белка.

Первые пространственные модели молекул белка — миоглобина и гемо-глобина — построили в конце 50-х гг. XX в. английские биохимики Джон Ко-удери Кендрю (родился в 1917 г.) и Макс Фердинанд Перуц (родился в 1914 г.). При этом они использовали данные экспериментов с рентгенов-скими лучами. За исследования в об-ласти строения белков Кендрю и Перуц в 1962 г. были удостоены Нобе-левской премии. А в конце столетия была определена третичная структура уже нескольких тысяч белков.

При образовании третичной струк-туры белка наконец-то проявляют активность R-группы — боковые це-пи аминокислот. Именно благодаря им «слипаются» между собой боль-шинство «бусинок»-аминокислот, придавая цепи определённую форму в пространстве.

В живом организме белки всегда находятся в водной среде. А самое большое число основных аминокис-лот — восемь — содержат неполяр-ные R-группы. Разумеется, белок стремится надёжно спрятать внутрь своей молекулы неполярные боковые цепи, чтобы ограничить их контакт с водой. Учёные называют это воз-никновением гидрофобных взаимо-действий (см. статью «Мельчайшая единица живого»).

Благодаря гидрофобным взаимо-действиям вся полипептидная цепоч-ка принимает определённую форму в пространстве, т. е. образует третич-ную структуру.

В молекуле белка действуют и дру-гие силы. Часть боковых цепей основ-ных аминокислот заряжена отрица-тельно, а часть — положительно. Так как отрицательные заряды притяги-ваются к положительным, соответст-вующие «бусинки» «слипаются». Элек-тростатические взаимодействия, или, как их называют иначе, солевые мос-тики, — ещё одна важная сила, ста-билизирующая третичную структуру.

У семи основных аминокислот есть полярные боковые цепи. Между ними могут возникать водородные связи, тоже играющие немалую роль в поддержании пространственной структуры белка.

Между двумя аминокислотными остатками цистеина иногда образу-ются ковалентные связи (— S —S—), которые очень прочно фиксируют расположение разных участков бел-ковой цепи по отношению друг к другу. Такие связи называют дисуль-фидными мостиками. Это самые не-многочисленные взаимодействия в белках (в некоторых случаях они во-обще отсутствуют), зато по прочно-сти они не имеют равных.

ВЫСШИЙ УРОВЕНЬ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ОРГАНИЗАЦИИ БЕЛКОВ

Молекула белка может состоять не из одной, а из нескольких полипептидных цепей. Каждая такая цепь представляет собой самостоятельную пространственную структуру — субь-единицу. Например, белок гемогло-бин состоит из четырёх субъединиц, которые образуют единую молекулу, располагаясь в вершинах почти пра-вильного тетраэдра. Субъединицы «прилипают» друг к другу благодаря тем же самым силам, что стабилизи-руют третичную структуру. Это гид-рофобные взаимодействия, солевые мостики и водородные связи.

Если белок состоит из нескольких субъединиц, говорят, что он обладает четвертичной структурой. Такая структура представляет собой высший уровень организации белковой моле-кулы. В отличие от первых трёх уров-ней четвертичная структура есть дале-ко не у всех белков. Приблизительно половина из известных на сегодняш-ний день белков её не имеют.

ПОЧЕМУ БЕЛКИ БОЯТСЯ ТЕПЛА

Связи, поддерживающие пространст-венную структуру белка, довольно лег-ко разрушаются. Мы с детства знаем, что при варке яиц прозрачный яич-ный белок превращается в упругую белую массу, а молоко при скисании загустевает. Происходит это из-за раз-рушения пространственной структуры белков альбумина в яичном белке и ка-зеина (огглат. caseus — «сыр») в моло-ке. Такой процесс называется денату-рацией. В первом случае её вызывает нагревание, а во втором — значи-тельное увеличение кислотности (в результате жизнедеятельности обита-ющих в молоке бактерий). При дена-турации белок теряет способность выполнять присущие ему в организме функции (отсюда и название процес-са: от лат. denaturare — «лишать при-родных свойств»). Денатурированные белки легче усваиваются организмом, поэтому одной из целей термической обработки пищевых продуктов яв-ляется денатурация белков.

ЗАЧЕМ НУЖНА ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТРУКТУРА

В природе почти ничего не происхо-дит случайно. Если белок принял определённую форму в пространстве, это должно служить достижению ка-кой-то цели. Действительно, только бе-лок с «правильной» пространственной структурой может обладать опреде-лёнными свойствами, т. е. выполнять те функции в организме, которые ему предписаны. А делает он это с помо-щью всё тех же R-групп аминокислот. Оказывается, боковые цепи не толь-ко поддерживают «правильную» фор-му молекулы белка в пространстве. R-группы могут связывать другие орга-нические и неорганические молекулы, принимать участие в химических ре-акциях, выступая, например, в роли ка-тализатора.

Часто сама пространственная ор-ганизация полипептидной цепи как раз" и нужна для того, чтобы сосредо-точить в определённых точках про-странства необходимый для выполне-ния той или иной функции набор боковых цепей. Пожалуй, ни один процесс в живом организме не прохо-дит без участия белков.

В ЧЁМ СЕКРЕТ ФЕРМЕНТОВ

Все химические реакции, протекаю-щие в клетке, происходят благодаря особому классу белков — фермен-там. Это белки-катализаторы. У них есть свой секрет, который позволяет им работать гораздо эффективнее других катализаторов, ускоряя реак-ции в миллиарды раз.

Предположим, что несколько при-ятелей никак не могут встретиться. Но стоило одному из них пригласить друзей на день рождения, как резуль-тат не заставил себя ждать: все оказа-лись в одном месте в назначенное время.

Чтобы встреча состоялась, понадо-билось подтолкнуть друзей к контак-ту. То же самое делает и фермент. В его молекуле есть так называемые центры связывания. В них расположе-ны привлекательные для определён-ного типа химических соединений (и только для них!) «уютные кресла» — R-группы, связывающие какие-то уча-стки молекул реагирующих веществ. Например, если одна из молекул име-ет неполярную группу, в центре свя-зывания находятся гидрофобные бо-ковые цепи. Если же в молекуле есть отрицательный заряд, его будет под-жидать в молекуле фермента R-груп па с положительным зарядом.

В результате обе молекулы реаген-тов связываются с ферментом и ока-зываются в непосредственной близо-сти друг от друга. Мало того, те их группы, которые должны вступить в химическую реакцию, сориентирова-ны в пространстве нужным для реак-ции образом. Теперь за дело прини-маются боковые цепи фермента, играющие роль катализаторов. В фер-менте все «продумано» таким обра-зом, что R-группы-катализаторы тоже расположены вблизи от места собы-тий, которое называют активным центром. А после завершения реак-ции фермент «отпускает на волю» мо-лекулы-продукты (см. статью «Фер-менты — на все руки мастера»).

ОТКУДА БЕРЁТСЯ ИММУНИТЕТ

Белки выполняют в организме мно-жество функций; они, например, за-щищают клетки от нежелательных вторжений, предохраняют их от по-вреждений. Специальные белки — антитела обладают способностью распознавать проникшие в клетки бактерии, вирусы, чужеродные поли-мерные молекулы и нейтрализовывать их.

У высших позвоночных от чуже-родных частиц организм защищает иммунная система. Она устроена так, что организм, в который вторг-лись такие «агрессоры» — антигены, начинает вырабатывать антитела. Молекула антитела прочно связыва-ется с антигеном: у антител, как и у ферментов, тоже есть центры связы-вания. Боковые цепи аминокислот расположены в центрах таким обра-зом, что антиген, попавший в эту ло-вушку, уже не сможет вырваться из «железных лап» антитела. После свя-зывания с антителом враг выдворяет-ся за пределы организма.

Можно ввести в организм неболь-шое количество некоторых полимер-ных молекул, входящих в состав бак-терий или вирусов-возбудителей какой-либо инфекционной болезни.

В организме немедленно появятся соответствующие антитела. Теперь попавший в кровь или лимфу «насто-ящий» болезнетворный микроб тот-час же подвергнется атаке этих анти-тел, и болезнь будет побеждена. Такой способ борьбы с инфекцией есть не что иное, как нелюбимая многими прививка. Благодаря ей организм приобретает иммунитет к инфекци-онным болезням.

ДЛЯ ЧЕГО В ГЕМОГЛОБИНЕ ЖЕЛЕЗО

В природе существуют белки, в ко-торых помимо аминокислот содер-жатся другие химические компонен-ты, такие, как липиды, сахара, ионы металлов. Обычно эти компоненты играют важную роль при выполне-нии белком его биологической функ-ции. Так, перенос молекул и ионов из одного органа в другой осуществля-ют транспортные белки плазмы крови. Белок гемоглобин (от греч. «гема» — «кровь» и лат. globus — «шар», «шарик»), содержащийся в кровяных клетках — эритроцитах (от греч. «эритрос» — «красный» и «китос» — «клетка»), доставляет кис-лород от лёгких к тканям. В молеку-ле гемоглобина есть комплекс иона железа Fe 24 " со сложной органической молекулой, называемый гемам. Гемо-глобин состоит из четырёх белковых субъединиц, и каждая из них содер-жит по одному гему.

В связывании кислорода в лёгких принимает участие непосредственно ион железа. Как только к нему хотя бы в одной из субъединиц присоединя-ется кислород, сам ион тут же чуть-чуть меняет своё расположение в мо-лекуле белка. Движение железа «про-воцирует» движение всей аминокис-лотной цепочки данной субъединицы, которая слегка трансформирует свою третичную структуру.

Другая субъеди-ница, ещё не присоединившая кислород, «чувствует», что произошло с со-седкой. Её структура тоже начинает меняться. В итоге вторая субъедини-ца связывает кислород легче, чем пер-вая. Присоединение кислорода к третьей и четвёртой субъединицам происходит с ещё меньшими трудно-стями. Как видно, субъединицы помо-гают друг другу в работе. Для этого-то гемоглобину и нужна четвертичная структура. Оксид углерода СО (в про-сторечии угарный газ) связывается с железом в геме в сотни раз прочнее кислорода. Угарный газ смертельно опасен для человека, поскольку ли-шает гемоглобин возможности при-соединять кислород.

А ЕЩЁ БЕЛКИ...

Служат питательными веществами. В семенах многих растений (пшени-цы, кукурузы, риса и др.) содержатся пищевые белки. К ним относятся так-же альбумин — основной компонент яичного белка и казеин — главный белок молока. При переваривании в организме человека белковой пищи происходит гидролиз пептидных свя-зей. Белки «разбираются» на отдель-ные аминокислоты, из которых орга-низм в дальнейшем «строит» новые пептиды или использует для полу-чения энергии. Отсюда и название:

Греческое слово «пептос» означает «переваренный». Интересно, что гид-ролизом пептидной связи управляют тоже белки — ферменты.

Участвуют в регуляции клеточ-ной и физиологической активности. К подобным белкам относятся мно-гие гормоны (от греч. «гормао» — «по-буждаю»), такие, как инсулин, регули-рующий обмен глюкозы, и гормон роста.

Наделяют организм способно-стью изменять форму и передвигать-ся. За это отвечают белки актин и ми-озин, из которых построены мышцы.

Выполняют опорную и защитную функции, скрепляя биологические структуры и придавая им прочность. Кожа представляет собой почти чис-тый белок коллаген, а волосы, ногти и перья состоят из прочного нерас-творимого белка кератина.

ЧТО ЗАПИСАНО В ГЕНАХ

Последовательность аминокислот в белках кодируется генами, которые хранятся и передаются по наследству с помощью молекул ДНК (см. статьи «Хранитель наследственной инфор-мации. ДНК» и «Экспрессия генов»). Пространственную структуру белка задаёт именно порядок расположе-ния аминокислот. Получается, что не только первичная, но и вторичная, третичная и четвертичная структуры белков составляют содержание на-следственной информации. Следо-вательно, и выполняемые белками функции запрограммированы гене-тически. Громадный перечень этих функций позволяет белкам по праву называться главными молекулами жизни. Поэтому сведения о белках и есть то бесценное сокровище, кото-рое передаётся в природе от поколе-ния к поколению.

Интерес человека к этим органи-ческим соединениям с каждым годом только увеличивается. Сегодня учёные уже расшифровали структуру многих белковых молекул. Они выясняют функции самых разных белков, пыта-ются определить взаимосвязь функ-ций со структурой. Установление сходства и различий у белков, выпол-няющих аналогичные функции у раз-ных живых организмов, позволяет глубже проникать в тайны эволюции.

АМИНОКИСЛОТЫ — ПОКАЗАТЕЛИ ВОЗРАСТА

D - и L -формы аминокислот обладают способностью очень медленно превращаться друг в друга. За определённый (весьма длительный) период времени чистая D- или I-форма может стать смесью равных количеств обеих форм. Такая смесь называется раиемагом, а сам процесс —раие-мизаиией. Скорость рацемизации зависит от температуры и типа амино-кислоты. Данное свойство можно использовать для определения возрас-та ископаемых остатков организмов, а при необходимости — и живых существ. Например, в белке дентина (дентин — костная ткань зубов) 1-ас-парагиновая кислота самопроизвольно раиемизуется со скоростью 0,1 % в год. У детей в период формирования зубов в дентине содержится толь-ко 1-аспарагиновая кислота. Дентин выделяют из зуба и определяют В нём содержание 0-формы. Результаты теста достаточно точны. Так, для 97-лет-ней женщины, возраст которой был документально засвидетельствован, тест показал возраст 99 лет. Данные исследований, выполненных на ис-копаемых остатках доисторических животных — слонов, дельфинов, мед-ведей, — хорошо согласуются с результатами датирования, полученными радионуклидным методом.

ЗА ЧТО СЕНГЕР ПОЛУЧИЛ НОБЕЛЕВСКИЕ ПРЕМИИ

При гидролизе белков до аминокислот (разрушении пептидной связи во-дой) теряется информация о последовательности их соединения. Поэто-му долгое время считали, что определение первичной структуры белка представляет собой совершенно безнадежную задачу. Но в 50-х гг. XX в. английский биохимик Фредерик Сенгер (родился в 1918 г.) смог расшиф-ровать последовательность аминокислот в полипептидных цепях гормо-на инсулина. За эту работу, на выполнение которой ушло несколько лет, в 1958 г. Сенгер был удостоен Нобелевской премии по химии (двадца-тью годами позже он совместно с У. Гилбертом получил вторую премию за вклад в установление первичной структуры ДНК).

Принципы определения аминокислотной последовательности, впервые сформулированные Сенгером, используются и ныне, правда, со всевоз-можными вариациями и усовершенствованиями. Процедура установле-ния первичной структуры белка сложна и многоступенчата: в ней около десятка различных стадий. Сначала белок расщепляют до отдельных ами-нокислот и устанавливают их тип и количество в данном веществе. На сле-дующей стадии длинную белковую молекулу расщепляют уже не полно-стью, а на фрагменты. Затем в этих фрагментах определяют порядок соединения аминокислот, последовательно отделяя их одну за другой. Расшепление белка на фрагменты проводят несколькими способами, что-бы в разных фрагментах были перекрывающиеся участки. Выяснив поря-док расположения аминокислот во всех фрагментах, получают полную ин-формацию о том, как аминокислоты расположены в белке. К концу XX в. созданы специальные приборы, определяющие последовательность амино-кислот в молекуле белка в автоматическом режиме — секвенаторы (от англ. sequence — «последовательность»).

МОЛОКО И КИСЛОМОЛОЧНЫЕ ПРОДУКТЫ

Молоко представляет собой коллоидный раствор жира в воде. Под микроскопом хорошо видно, что оно неоднородно: в бесцветном растворе (сыворотке) плавают жировые шарики.

В коровьем молоке обычно содержится от 3 до 6 % жиров (в основном это сложные эфиры глицерина и насыщенных карбоновых кислот - пальмитиновой, стеариновой), около 3 % белков, а ешё углеводы, органические кислоты, витамины и минеральные вещества.

Белок казеин в молоке присутствует в связанном виде - ковалентно присоединённые к аминокислоте сери-ну фосфатные группы образуют соли с ионами кальция. При подкислении молока эти соли разрушаются, и казеин выделяется в виде белой творожистой массы. В желудке человека под действием особых ферментов происходит процесс, называемый “створажива-нием казеина”. Створоженный казеин выпадает в осадок и медленнее выводится из организма, а потому полнее усваивается. Казеин высоко питателен:

В нём есть почти все аминокислоты, необходимые человеку для построения собственных белков. В чистом виде он представляет собой безвкусный белый порошок, не растворимый в воде. Помимо него в молоке содержатся и другие белки, например лактальбумин. При кипячении этот белок превращается в нерастворимую форму, образуя на поверхности кипячёного молока характерную белую плёнку - пенку.

Входящий в состав молока сахар лактоза С^НддО, изомерен сахарозе. В организме человека под действием фермента лактазы этот сахар расщепляется на моносахариды глюкозу и галактозу, которые легко усваиваются. За счёт этого, например, грудные дети пополняют запасы углеводов. Интересно, что у многих людей (в основном у представителей монголоидной расы) организм в зрелом возрасте утрачивает способность расщеплять лактозу.

Проходя через пищеварительный тракт, лактоза не усваивается, а становится питательной средой для развития различных болезнетворных микроорганизмов, что приводит к общему недомоганию. Именно поэтому народы Дальнего Востока (японцы, китайцы) практически не употребляют в пишу молочные продукты.

В промышленных условиях молоко подвергают тепловой обработке, цель которой - подавить развитие микроорганизмов и продлить срок его хранения. Для этого молоко пастеризуют - выдерживают 30 мин при 65 °С, а также используют кратковременную термообработку - нагревают в течение 10-20 с до 71 °С. По сравнению с пастеризацией термообработка лучше сохраняет питательные вещества, в первую очередь витамины. Чтобы молоко не расслаивалось на сливки и сыворотку, его гомогенизируют - пропускают под давлением через небольшие отверстия. Жировые шарики дробятся, уменьшаются в размерах, а молоко становится более вязким.

Значительная часть молока идёт на переработку - для производства сливочного масла, сыра и кисломолочных продуктов (кефира, ряженки, простокваши, сметаны).

Чтобы получить кефир, молоко сквашивают - выдерживают в течение 8-10 ч при 20-25 °С, добавляя затравку молочнокислых бактерий. Под их действием лактоза распадается до молочной кислоты:

С„н„о„ + н,о =лактоза == 4СНзСН(ОН)СООН. молочная (2-гидроксипропановая) кислота

Именно молочная кислота определяет специфический вкус кефира. По мере того как она накапливается в растворе, происходит коагуляция (свёртывание)казеина, который выделяется в свободном виде. Поэтому кефир имеет более густую консистенцию, чем молоко. Молочнокислое сбраживание лактозы сопровождается спиртовым брожением, из-за чего в кисломолочных продуктах, в частности в кефире, есть небольшое количество алкоголя (до 0,03 %). В кисломолочных продуктах содержатся также микроорганизмы, которые подавляют развитие болезнетворных бактерий и тем самым улучшают пишеварение.

Творог тоже получают сквашиванием молока молочнокислыми бактериями. Его главной составной частью является белок казеин.

Чтобы приготовить сливочное масло, от молочной сыворотки необходимо отделить капельки жира, входящие в состав молока. Для этого сбивают сливки - верхний, более жирный слой, образующийся при отстаивании молока.

Казеин входит также в состав сыров. Их делают, добавляя в молоко бактериальную закваску и специальные ферменты, а затем подогревая смесь до определённой температуры. В выделившийся сгусток вновь вводят ферменты и подогревают. При этом происходит частичное изменение структуры и состава казеина. Затем смесь раскладывают по формам и длительное время - до шести месяцев - выдерживают при низкой температуре (не выше 15 °С). Во время созревания казеин под действием ферментов распадается на поли-пептиды и свободные аминокислоты. Часть аминокислот окисляется кислородом воздуха, при этом образуются аммиак, альдегиды, а также кетокислоты, придающие сыру характерный аромат.

Скисание молока - привычный пример денатурации белка.

МЕДНАЯ КРОВЬ

В холодных водах Перуанского течения в Тихом океане обитает кальмар Dosidicus gigas. Его сигарообразное тело вместе со щупальцами достигает в длину 3,5 м, а масса гиганта может превышать 150 кг. Мощные мышиы выбрасывают струю воды с силой, с какой она бьёт из пожарного рукава, благодаря чему кальмар способен двигаться со скоростью до 40 км/ч. Клювом, очень крепким и острым, он может перебить стальной кабель. По свидетельству очевидцев, кальмар буквально в клочья раздирает 20-килограммовую рыбину. Этот свирепый хишник очень опасен и для человека. В книге Франка Лейна “Царство осьминога” утверждается, что “человек, упавший за борт в местах, где обитает много кальмаров, не проживёт и полминуты”.

Чтобы “зарядиться” энергией, этому обитателю океана требуется много кислорода - не менее 50 л в час. По-ступаюший из морской воды кислород разносится по телу кальмара с помошью особого белка, содержащего медь, - гемоиианина (от греч. “гема” - “кровь” и “кианос” - “лазурный”, “голубой”).

Стоит заметить, что в крови позвоночных кислород “транспортируют” атомы железа в составе гема - особой сложной молекулы, которая входит в состав белка гемоглобина. Им буквально нашпигованы красные кровяные клетки - эритроциты. Молекула гемоглобина содержит четыре гемовых фрагмента, каждый из которых способен связать молекулу кислорода. В отличие от гемоглобина, в гемоиианине атомы меди непосредственно связаны с белковыми молекулами, которые не включены ни в какие клетки, а свободно “плавают” в крови. Зато одна молекула гемоииани

На способна связать до 200 атомов меди. И ешё одна особенность гемоииани-на - его молекулы имеют огромные даже для белков размеры. У “обычных” белков, входящих в состав яиц, молока, мыши, молекулярная масса колеблется в пределах от б тыс. до 1 млн, а молекулярная масса гемоиианина может достигать 10 млн! Это один из самых крупных белков; больше по размеру и массе только белковые комплексы у вирусов.

Гемоиианин - очень древний белок. Он устроен проще, чем гемоглобин и не так эффективен. Тем не менее при малом содержании кислорода в морской воде гемоиианин довольно успешно снабжает им ткани холоднокровных животных. Так, давление кислорода в жабрах лангуста составляет всего 7 мм рт. ст. (930 Па), а в тканях - 3 мм рт. ст.; причём концентрация этого газа в крови лангуста в 20 раз выше, чем в морской воде.

Кроме кальмаров, кислород переносится “голубой кровью” также у де-сятиногих ракообразных (омары, крабы, креветки). Гемоиианин найден у всех головоногих моллюсков (осьминоги, кальмары, каракатицы), разнообразных улиток, пауков и др. А вот у морских гребешков, устриц и других двустворчатых моллюсков его нет.

Количество гемоиианина в крови может быть самым разным. Так, у шустрых осьминога и мечехвоста (морское животное типа членистоногих) концентрация этого необычного белка доходит до 10 г в 100 мл крови - почти столько же гемоглобина в крови человека. В то же время, у малоподвижного съедобного моллюска морское ушко Hatiotis tuberculata в 100 мл крови всего 0,03 г гемоиианина. Это и понятно: чем более активно животное,

Чем больше кислорода необходимо ему для восполнения энергетических затрат, тем выше в крови концентрация белка, переносящего кислород.

Гемоиианин был открыт в 60-х гг. XIX в., когда биологи заметили, что кровь головоногих моллюсков при прохождении через жабры окрашивается в голубой цвет. А в 1878 г. бельгийский физиолог Леон Фредерик доказал, что голубой цвет вызван реакцией кислорода с медьсодержащим белком, который он назвал гемоиианином. Когда последний теряет кислород, он, в отличие от гемоглобина, становится бесцветным. Примечательно, что всю работу по изучению нового белка Фредерик выполнил в течение одного дня.

Из гемоиианина нетрудно полностью извлечь медь. Аля этого достаточно обработать белок в отсутствие кислорода реактивом, который прочно связывается с ионами одновалентной меди. Таким же способом можно определить содержание меди в гемоиианине. Лишённый этого металла, он теряет способность переносить кислород. Но если потом ввести в раствор белка ионы Си"1", гемоиианин восстанавливает свою физиологическую активность.

Так было доказано, что в отсутствие кислорода медь гемоиианина находится в степени окисления +1. При избытке же этого газа происходит частичное окисление металла. При этом всегда на одну связанную гемоиианином молекулу кислорода приходится два атома меди. Таким образом, кислород окисляет ровно половину атомов меди. Это ещё одно отличие гемоиианина от значительно более распространённого в животном мире гемоглобина, в котором все атомы железа равноценны и имеют заряд +2 как в свободном состоянии, так и в комплексе с кислородом.

Строение, свойства и биологические функции белков.

Белки - неотъемлемые компоненты любой живой клетки, которые обеспечивают и поддерживают ее жизнедеятельность. Молекулы белков представляют собой биополимеры, построенные в основном из амино-кислот. Кроме аминокислот в состав белковых молекул могут входить другие органические и неорганические компоненты. В белках содержится 50-55% углерода, 20-24% кислорода, 7% водорода, 0,5-3% серы; в состав некоторых белков могут также входить фосфор и различные металлы.

Огромное структурное разнообразие белков и широкий диапазон изменения их физико-химических свойств позволяют этим биополимерам выполнять разнообразные и жизненно важные функции в живом организме. В каждой растительной клетке одновременно функционируют несколько тысяч различных белков. Все биохимические реакции в клетке происходят с участием каталитических белков - ферментов. Структурная основа биологических мембран цитоплазмы и внутриклеточных органоидов также построена с участием белков. Защитную функцию выполняют белковые антитела и стрессовые белки, образующиеся под воздействием стрессовых факторов. Важную роль выполняют в растительных клетках регуляторные и транспортные белки, способные обратимо изменять свою конформацию и таким образом активно участвовать в поддерживании жизнедеятельности растения как саморегулирующейся системы.

В семенах и других органах растений откладываются запасные бел-ки, которые в значительной степени определяют питательную, кормовую и технологическую ценность растительной продукции. Много белков на-капливается в зерне зернобобовых культур - 20-30%, в сое и люпине - 30-40%, в семенах масличных культур - 15-30%. Содержание белков в другой растительной продукции составляет, %: зерновки злаковых растений – 9-18; кукуруза и рис – 6-10; клубни картофеля – 1,5-2; корнеплоды – 1-1,5; овощи, плоды и ягоды – 0,5-2; цветная капуста – 2-3; брюссельская капуста и чеснок –6-8; вегетативная масса мятликовых трав – 5-15, бобовых трав – 15-25 (последние два показателя даны в расчёте на сухую массу).

Первый белковый препарат был выделен из пшеничной муки в 1728 году Я.Б.Беккари и назван клейковиной. В 1809-10 г.г. появились первые сведения об элементном составе, а в 1836 г. предложена первая эмпири-ческая формула белков. В дальнейшем довольно активно многими иссле-дователями проводилось изучение продуктов распада белковых веществ и появлялось все больше и больше сведений о том, что основными про-дуктами гидролитического разложения белков являются аминокислоты. К 1899 г. уже было известно 13 аминокислот, большинство из которых были идентифицированы как продукты гидролиза белков.

Основополагающий вклад в разработку теории строения белков внесли работы Э.Фишера, который в 1901 г. предположил и затем экспери-ментально обосновал положение о том, что белковые молекулы постро-ены из аминокислот, остатки которых соединены пептидными связями. Образующиеся таким путем полимеры обычно называют полипептидами, а учение о построении белковых молекул из аминокислот, соединенных пептидными связями, - полипептидной теорией строения белков .

В образовании пептидной связи участвуют α-аминокислоты, которые взаимодействуют своими аминными и карбоксильными группами, при этом высвобождаются молекулы воды. У диаминомонокарбоновых кислот пептидную связь может образовать только аминогруппа, находящаяся в α-по-ложении, а у моноаминодикарбоновых кислот - карбоксильная группа, имеющая в α-положении аминогруппу. Углеводородные радикалы амино-кислотных остатков, соединенных пептидными связями, остаются в виде боковых радикалов. Так, например, из аланина, аспарагиновой кислоты и лизина образуется трипептид:

Название пептида составляется из названий образующих его амино-кислот, при этом аминокислота, имеющая свободную карбоксильную группу, записывается в конце формулировки, а у других аминокислот окончание изменяют на "ил" и их перечисляют в названии пептида в том порядке, в котором они находятся в структурной формуле полученного соединения. В соответствии с этим выше представленный трипептид имеет название - аланиласпарагиллизин.

Методом рентгеноструктурного анализа показано, что атомные группировки пептидной связи расположены в одной плоскости, образуя преимущественно транс -конфигурацию относительно связи C-N, которая в значительной мере имеет характер двойной связи, и вращение вокруг этой связи сильно ограничено.

В целом пространственное построение полипептидной цепи можно представить как последовательность плоских структур, образуемых эле-ментами пептидной связи, которые соединены через α-углеродные атомы аминокислотных радикалов. Поскольку связи у α-углеродных атомов не являются двойными, вокруг них возможно вращение расположенных в плоскости пептидной связи группировок.

Если поменять порядок соединения аминокислот в пептиде, то мы получим несколько изомеров. Чаще всего в состав белковых полипепти-дов могут входить 100-400 аминокислотных остатков, которые, соединяясь пептидными связямми в определенном порядке, могут давать огромное число изомерных молекул, способных выполнять разнообразные биологи-ческие функции. В общем виде строение полипептида можно выразить следующей формулой:

В этой формуле аминокислотные остатки соединены связями -СО-NH-, которые и называют пептидными , а R 1 , R 2 , R 3 ...Rn - радикалы амино-кислотных остатков, содержащие различные группировки атомов и обра-зующие боковые ответвления в молекуле полипептида.

На противоположных концах полипептидной цепи имеются свобод-ная аминная и свободная карбоксильная группы, по которым определяют направленность полипептида. Аминокислота на конце полипептидной цепи, имеющая свободную аминогруппу в α-положении, называется N-концевой аминокислотой, а аминокислота на противоположном конце полипептида, имеющая свободную карбоксильную группу, не использованную для образования пептидной связи, - C-концевой аминокислотой. Определение N- и C-концевых аминокислот имеет важное значение для выяснения строения белковой молекулы, так как позволяет установить в ней число полипептидных цепей.

Большинство известных белков содержат в молекуле более одной полипептидной цепи и этим существенно отличаются от обычных пептидов, имеющих одну полипептидную цепь и более низкую молекулярную массу. Однако чёткую границу между пептидами и белками провести довольно трудно; и те, и другие имеют вполне определенную пространственную структуру и выполняют свою биохимическую функ-цию. Основными критериями следует считать степень полимерности молекулы, обеспечи-вающую ей необходимые коллоидные, осмотические, буферные и другие свойства, характерные для белков, а также способность формировать определённую пространственную структуру. Самая низкая степень полимерности известных белков составляет не менее 50 аминокислотных остатков в одной молекуле. Вместе с тем известны некоторые белки, молекулы которых насчитывают свыше тысячи аминокислотных остатков.

Пептиды в различных организмах очень часто синтезируются с по-мощью тех же механизмов, как и белки, и представляют собой важные промежуточные продукты обмена веществ, многие из них выполняют регуляторные функции и относятся к физиологически активным соеди-нениям. Однако известны пептиды, в синтезе которых принимают участие аминокислоты, не входящие в состав белков, они способны образовывать циклические структуры. К таким пептидам относятся антибиотики грами-цидин, циклоспорин, тироцидин и токсины бледной поганки. К пептидам, выполняющим регуляторные функции, относятся многие гормоны человека и животных (окситоцин, вазопрессин, адренокортикотропный гормон и некоторые другие).

Из растительных пептидов наиболее хорошо изучен глютатион, структура которого была выяснена в 1945 г. Ф.Гопкинсом. Молекула глю-татиона включает остатки трёх аминокислот - глутаминовой кислоты, цис-теина и глицина. Глицин и цистеин соединены пептидной связью, а цистеин и глутаминовая кислота - псевдопептидной (или изопептидной) связью, которая образуется при взаимодействии аминогруппы цистеина с карбоксильной группой глутаминовой кислоты, не имеющей в α –положе-нии аминогруппы и в составе белковых полипептидов обычно находящейся в составе бокового радикала.

H 2 N-CH-CH 2 -CH 2 -CO-NH-CH-CO-NH-CH 2 -COOH

глютатион

Высокая биологическая активность глютатиона обусловлена его спо-собностью участвовать в восстановительных реакциях, так как под дей-ствием фермента он может легко отщеплять водород от сульфгидрильной группы (-SH) и переходить в восстановленную форму, образуя димеры, связанные дисульфидными (-S-S-) связями. Схематически образование окисленных димеров глютатиона можно представить следующим образом:

R-SH + HS-R ¾¾® R-S-S-R + фермент - H 2

Глютатион содержится во всех растительных клетках и оказывает влияние на активность многих ферментов, катализирующих превращения белков.

Учитывая высокую биологическую активность многих пептидов, разрабатываются технологии их химического синтеза с целью получения искусственных гормонов, антибиотиков, различных медицинских препа-ратов. Как показывают опыты, путем химического синтеза можно полу-чать полипептидные цепи, содержащие до 100 аминокислотных остатков. Особенно значительные успехи достигнуты в результате сочетания хими-ческого и ферментативного синтезов. Так, например, из природных поли-пептидов путем частичного гидролиза выделяют пептидные фрагменты нужного состава, а затем их соединяют с помощью химических реакций или ферментативного синтеза, получая таким образом биологически активные пептидные препараты.

После того, как была сформулирована и экспериментально подтвер-ждена полипептидная теория строения белков, следующим этапом было определение структурных формул белков, показывающих последова-тельность соединения аминокислотных остатков в белковых молекулах. Впервые это удалось выполнить Ф.Сенгеру в 1954 г., применившему новые подходы в химической идентификации концевых аминокислот у различных пептидов, которые могут быть получены при частичном гидролизе полипептидов изучаемого белка.

Сопоставление аминокислотных последовательностей перекрываю-щихся фрагментов полипептидных цепей гормона поджелудочной железы- инсулина позволило ему с достаточно высокой точностью определить последовательность соединения аминокислотных остатков в молекуле этого белка. Как оказалось, молекула инсулина состоит из двух полипептидных цепей, в одной из которых содержится 30 аминокислотных остатков, в другой - 21. Полипептидные цепи в двух положениях соединены дисуль-фидными связями, которые образуются при взаимодействии сульфгид-рильных групп (-SH) цистеиновых радикалов точно по такому же меха-низму, как у димеров глютатиона. Положение этих цистеиновых остатков в полипептидных цепях инсулина показано на рисунке 5.

Следует учитывать, что нумерацию аминокислотных остатков в по-липептидах принято исчислять в направлении от N-концевой аминокислоты к С-концевой. В короткой цепи инсулина образуется еще одна дисульфидная связь между остатками цистеина в 6-м и 11-м положениях. В длинной цепи N-концевая аминокислота - фенилаланин, С-концевая аминокислота - аланин; в короткой цепи N-концевая аминокислота – глицин, С-концевая - аспарагин. Таким образом, на примере инсулина мы видим, что молекула белка может быть построена не из одного полипептида и разные полипептидные цепи в молекуле белка могут соединяться дисульфидными связями за счёт цистеиновых остатков.

Вслед за инсулином были расшифрованы аминокислотные последо-вательности различных пептидов и белков: окситоцина, вазопрессина, РНК-полимеразы, пепсина, трипсина, лизоцима, цитохромов, гемоглоби-на, папаина и многих других полиаминокислотных соединений. Уже к 1975 г. насчитывалось 600 белков с известными аминокислотными после-довательностями, к 1985 г. - свыше 2500. В настоящее время работа по анализу аминокислотных последовательностей в белках почти полностью автоматизирована и число таких белков уже значительно превышает 20 тысяч.

ПЕРВИЧНАЯ СТРУКТУРА БЕЛКОВ. Последовательность соедине-ния аминокислот в полипептидных цепях белковой молекулы принято называть первичной структурой белка . Она определяется последователь-ностью нуклеотидов конкретного участка ДНК, кодирующего данный полипептид и называемого геном.

Замена даже одной аминокислоты в структуре белка может сущест-венно изменить его функцию. Поэтому полипептиды можно рассматривать как "отпечатки" кодирующих их генов и использовать для распознавания генотипов, а также установления между ними генетического родства. Так, например, в короткой полипептидной цепи инсулина человека в положениях 8, 9 и 10 находится последовательность аминокислот Thr-Ser-Ile, в инсулине овцы - Ala-Gly-Val, в инсулине коровы - Ala-Ser-Val, в инсулине собаки - Thr-Ser-Ile, то есть такая же аминокислотная последовательность, как и у человека, что свидетельствует о меньшем филогенетическом различии между этими организмами.

В других исследованиях, связанных с изучением аномальных форм гемоглобина, установлено, что во многих случаях замена в одной из его полипептидных цепей хотя бы одной аминокислоты на другую вызывает нарушение физиологической функции этого белка, которое приводит к серьезным клиническим последствиям для организма человека.

ВТОРИЧНАЯ СТРУКТУРА БЕЛКОВ. Полипептидная цепь, вклю-чающая последовательность аминокислотных остатков, характерную для данного белка, формирует вполне определённую пространственную структуру, которую обычно называют конформацией белковой молекулы.

Пространственное же строение каждого отдельного участка полипептид-ной цепи представляет собой вторичную структуру белка.

Формирование вторичной структуры белковых молекул зависит от физико-химических параметров аминокислотных остатков и их последова-тельности в полипептидной цепи. Как уже было отмечено, атомные груп-пировки пептидной связи располагаются в одной плоскости, а каждая такая плоскостная структура соединяется с соседней через α-углеродные атомы аминокислотных радикалов ковалентными связями, вокруг которых возможно вращение плоскостных структур пептидных связей. Угол пово-рота по каждой из этих связей для каждого аминокислотного остатка вполне определенный, зависящий от строения аминокислотного радикала. Если на конкретном участке молекулы полипептида группируются аминокислотные остатки с близкими углами вращения по указанным связям, то и формируется однотипная вторичная структура.

В стабилизации вторичной структуры полипептида важную роль играют водородные связи, возникающие между группировками пептидных

связей по следующей схеме: ═N-H.....O=C═

Одна из разновидностей вторичной структуры белка - α-спираль, ко-торая была установлена в 1951 г. Л.Полингом и Р.Кори методом рент-геноструктурного анализа. При формировании α-спирали происходит спи-ралевидное закручивание полипептидной цепи, которое стабилизируется за счет образования водородных связей, возникающих в определённом порядке между NH- и CO-группами пептидных связей, находящихся в соседних витках спирали (рис. 6). NH-группа пептидной связи каждого аминокислотного остатка соединяется водородной связью с CO-группой пептидной связи другого аминокислотного остатка, удалённого в полипеп-тидной цепи от первого на 4 аминокислотных остатка, считая по направ-лению цепи назад.

Водородные связи ориентированы вдоль оси спирали, при этом атомы кислорода, соединенные двойной связью с атомами углерода, об-ращены от атомов углерода по спирали вперед, а атомы водорода, сое-диненные с атомами азота, обращены от атомов азота по спирали назад. Боковые радикалы аминокислот также ориентированы вдоль оси спирали по направлению, противоположному направлению полипептидной цепи (направление полипептидной цепи принято считать от N-конца к C-концу). Внутри α-спирали не образуется полости, так как всё пространство пол-ностью занято группировками пептидных связей и α-углеродных атомов. На поверхности α-спирали находятся боковые радикалы аминокислот, которые могут взаимодействовать как между собой, так и с веществами окружающей среды.

Большинство известных белков образуют α-спираль, у которой спи-ралевидное закручивание полипептидной цепи происходит по направлению движения часовой стрелки. Расчеты показывают, что на каждый виток спирали приходится 3,6 аминокислотных остатка, а ход спирали при удлинении цепи на один аминокислотный остаток равен 0,15 нм. Диаметр условной цилиндрической поверхности, на которой находятся α-углеродные атомы аминокислотных радикалов, составляет 1,01 нм (рис . 7).

Спиралевидная конфигурация вторичной структуры является основ-ной для фибриллярных белков, как например, белка волос, шерсти, перьев, рогов - кератина. Однако длина спирализованных участков глобулярных белков небольшая и обычно составляет несколько витков (3-4 оборота α-спирали). Спирализация полипептидной цепи возникает в том случае, когда на определенном её участке группируются остатки α-аланина, лейцина, фенилаланина, тирозина, триптофана, цистеина, метионина, гистидина, аспарагина, глутамина, валина.

Довольно часто в структуре глобулярных белков встречаются изгибы и петли, поворачивающие пептидную цепь на определенный угол. Наиболее характерной формой такой структуры является так называемый b-изгиб, поворачивающий пептидную цепь на 180˚. Обычно b-изгиб включает 3-4 аминокислотных остатка, ключевым из которых является остаток аминокислоты глицина.

Остатки аминокислоты пролина вызывают излом образующейся α-спирали с отклонением от оси спирали на угол 20˚-30˚. Это объясняется тем, что азот пролина, входящий в структуру пептидных группировок, не связан с атомом водорода и поэтому не образует водородной связи.

Есть аминокислоты, которые, исходя из строения радикала, форми-руют другой тип вторичной структуры (серин, изолейцин, треонин, лизин, аргинин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты), его называют b-структу-рой. В b-структуре водородные связи образуются между CO- и NH-груп-пами, находящимися в соседних отрезках полипептидной цепи, которые имеют параллельную или противоположную направленность; в соответ-ствии с этим и b-структуры называют параллельными или антипараллель-ными.

В двух соседних цепях, формирующих b-структуру, в образовании водородных связей участвует половина CO- и NH-групп, что связано с че-редованием пространственного расположения аминокислотных радикалов. Боковые радикалы соседних аминокислотных остатков находятся в транс -положении по отношению к пептидной группировке, поэтому в образовании водородных связей с соседней полипептидной цепью участвует каждая вторая пептидная группа. Оставшиеся свободными СО- и NН-группы могут образовывать водородные связи с аналогичными группами еще одной цепи с противоположной стороны, а она со следующей пептидной цепью и т. д. Таким образом, с помощью водородных связей могут быть соединены несколько пептидных цепей (2-10) протяженностью до 8 аминокислотных остатков вдоль каждой из цепей, а у некоторых даже больше.

Отходящие в противоположные стороны от каждой полипептидной цепи радикалы аминокислотных остатков образуют поверхности, имеющие складчатое строение. Складки этих поверхностей определяются

углами связей α-углеродных атомов аминокислотных остатков (рис. 8). Очень часто поверхность b-структуры закручивается под определенным углом, образуя уже супервторичную структуру.

Вторичная структура полипептидов в виде α-спирали и b-структур относится к структурам, которые периодически повторяют в простран-стве свои конфигурации, в связи с чем их называют регулярными структурами. Однако практически в каждой белковой молекуле имеются участки с вполне определенной пространственной конфигурацией, но она не повторяется в других участках. Такие разновидности вторичной структуры белка принято называть нерегулярными структурами .

Каждый белок в зависимости от первичной структуры, определяющей набор и последовательность аминокислотных остатков в его полипептидных цепях, имеет вполне определенные группировки аминокислот на отдельных участках молекулы, которые в зависимости от их физико-химических параметров способны формировать тот или иной тип вторичной структуры. Поэтому в данном белке в соответствии с последовательностью соединения аминокислот на каждом участке реализуется совершенно определённый тип вторичной структуры.

Известно очень мало белков, имеющих на всех участках молекулы одинаковую вторичную структуру. К таким белкам относятся кератин (структурный белок шерсти, перьев, рогов) и коллаген (белок сухожилий), имеющие конфигурацию молекулы в виде α-спирали. Другим примером являются белки шелка (фиброин) и семян канавалии (конканавалин А), образующие преимущественно b-структуры. Большинство же белков формируют смешанный тип вторичной структуры, включающий на конкретных участках молекулы и α-спираль, и b-структуры, и нерегурные структуры. Так, например, в белке миоглобине 79% составляющих его аминокислотных остатков образуют вторичную структуру в виде α-спирали, 16% приходится на участки с нерегулярной структурой и 5% участвуют в образовании b-изгибов. В растительном белке папаине 28% вторичной структуры представлено α-спиралями, 14% - b-структурами, 17% -b-изгибами и 41% - нерегулярными структурами.

Участок антипараллельной b-структуры

Участок параллельной b-структуры

(стрелками показаны направления полипептидных цепей)

На рисунке 9 показана схема возможного образования вторичных структур на одном из участков полипептидной цепи ферментного белка глицеральдегидфосфатдегидрогеназы. Как видно из представленной схемы, последовательности аминокислотных остатков 9 ® 22, 33 ® 45, 78 ® 81, 85 ® 88, 95 ® 98, 100 ® 112, 129 ® 133 образуют спиралевидную вторичную структуру, тогда как аминокислотные последовательности 1®7, 26®32, 56®75, 90®94, 115®120, 126®128, 142® 147 образуют b-структуры, другие аминокислотные остатки участвуют в формировании изгибов и нерегулярных структур.

ТРЕТИЧНАЯ СТРУКТУРА БЕЛКОВ. Порядок размещения в пространстве всех атомных группировок полипептидной цепи принято называть третичной структурой белковой молекулы. Впервые понятие о третичной структуре белков было сформулировано в 1958 г. Д.Кендрью на основе рентгеноструктурного анализа пространственной конфигурации белка миоглобина, в результате чего удалось выяснить трёхмерную структуру этого белка.

В процессе дальнейших исследований было установлено, что в построении третичной структуры белка важную роль играют некова-лентные взаимодействия между радикалами аминокислотных остатков, находящимися на поверхности вторичных структур, а также дисульфидные связи, возникающие в результате взаимодействия сульфгидрильных групп

(-SH) остатков аминокислоты цистеина. При формировании третичной структуры реализуются три типа нековалентных взаимодействий: образова-ние водородных связей, электростатические и гидрофобные взаимодей-ствия.

Водородные связи соединяют между собой функциональные группы

боковых цепей аминокислотных остатков:

R-OH....O=C-R R-O....H-N-R R-C=O....H-N-R

ОH Н Н NН 2 Н

Насыщенность белковой молекулы водородными связями весьма велика – не менее 90% от возможного их образования. Важное значение для стабилизации третичной структуры белков имеют также водородные связи, которые образуют группировки полипептидов с молекулами воды, формирующими жидкую фазу белкового раствора.

Между заряженными группировками аминокислотных остатков возникают силы электростатического взаимодействия:

R-COO‾....H 3 N⁺-R

Формированию компактной пространственной структуры в значи-тельной степени способствуют гидрофобные взаимодействия между неполярными группировками боковых радикалов аминокислот, входящих в состав полипептидной цепи. В результате гидрофобных взаимодействий происходит отталкивание молекул воды от поверхности гидрофобных группировок и сближение последних, вследствие чего полипептидная цепь свертывается в виде глобулы. При этом большая часть гидрофобных радикалов оказывается внутри глобулы и таким образом защищается от контакта с молекулами воды, а гидрофильные радикалы, наоборот, находятся на поверхности белковой глобулы, они образуют водородные связи с молекулами воды и стабилизируют пространственную структуру белка.

К аминокислотам, имеющим гидрофобные радикалы, относятся глицин, лейцин, изолейцин, валин, аланин, фенилаланин, цистеин, метионин. Гидрофильные радикалы имеют аминокислотные остатки треонина, серина, триптофана, тирозина, аспарагина и аспарагиновой кислоты, глутамина и глутаминовой кислоты, лизина, гистидина.

Образующаяся в результате гидрофобных взаимодействий простран-ственная структура полипептида имеет довольно плотную упаковку, вследствие чего её очень часто называют гидрофобным ядром белковой молекулы. Вокруг ядра формируется оболочка из гидрофильных аминокислотных остатков, в которые могут быть включены и гидрофоб-ные радикалы, образующие гидрофобные выходы на поверхность белко-вой глобулы. За счет формирования таких структур обеспечивается спе-цифичность взаимодействия белковой молекулы с веществами окружающей среды. В состав гидрофильной оболочки, окружающей гидрофобное ядро, входят также молекулы воды, связанные водородными связями с полярными группировками белковой молекулы.

У многих белков важным фактором стабилизации третичной структуры являются дисульфидные связи, которые образуются при взаимодействии остатков цистеина по такому же механизму, как и при формировании димеров глутатиона. Однако образование дисульфидных связей не является обязательным условием стабильности третичной структуры белка, так как известно довольно много белков, формирующих устойчивую простран-ственную структуру только за счет нековалентных взаимодействий.

При формировании третичной структуры белка может возникать не одно, а два и более гидрофобных ядра, включающих достаточно большие отрезки одной и той же полипептидной цепи. Между этими ядрами образуются впадины и полости, имеющие существеннное значение для функционирования белка.

Третичная структура полипептидов складывается из элементов вторичной структуры. Так, в составе ряда белков третичная структура представлена только α-спиралями, которые размещаются в пространстве в виде параллельных участков. Вместе с тем известны белки, построенные в основном из b-структур, свернутых в пространстве под определенным углом. Однако у многих белков пространственная конфигурация молекулы формируется в виде смешанных структур, включающих определенные сочетания α-спиралей и b-структур. При этом довольно часто внутренняя часть молекулы полипептида представлена b-структурами, которые на поверхности окружены α-спиралями.

На рисунке 10 показана третичная структура ферментных белков триозофосфатизомеразы и лизоцима. В молекуле триозофосфатизомеразы в центральной части представлены b-слои, которые окружены α-спиралями. В лизоциме часть третичной структуры (в верхней части рисунка) образована в виде b-структур, а другая часть (в нижней части рисунка) представлена α-спиралями.

Для существующих в природе белков установлено строгое соответствие между первичной и третичной структурами полипептидов. Последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи предопределяет ее пространственную конфигурацию. Этот принцип подтверждается в опытах по конструированию аминокислотных последовательностей полипептидов, способных формировать простран-твенную структуру заданного типа.

ЧЕТВЕРТИЧНАЯ СТРУКТУРА БЕЛКОВ. Многие белки представяют собой сложные молекулы, образующиеся при нековалентном взаимодей-ствии двух или нескольких полипептидов, каждый из которых имеет свою третичную структуру. Такие белки принято называть олигомерами, а образующие их полипептиды - полипептидными субъединицами белка. Способ совместной упаковки и размещения в пространстве полипептидных субъединиц олигомерных белков называют четвертичной структурой белка.

Впервые четвертичную структуру белка установили методом рентгеноструктурного анализа при изучении пространственной конфигура-

ции молекул гемоглобина (Перутц М., 1959). В этих исследованиях было определено, что молекула гемоглобина состоит из четырех субъединиц: двух α-полипептидных цепей по 141 аминокислотному остатку в каждой и двух b-цепей по 146 аминокислотных остатков в каждой. Субъединицы гемоглобина размещаются впространстве симметрично, занимая вершины тетраэдрической структуры (рис. 11).

В молекуле гемоглобина наблюдается более сильное взаимодействие между разными субъединицами и относительно слабее выражена связь между одноименными субъединицами, вследствие чего формируются довольно устойчивые димеры разных субъединиц (ab), из которых уже формируется структура тетрамерной молекулы за счет более слабых взаимодействий. Такой порядок взаимодействия субъединиц гемо-глобина приводит к образованию совершенно однотипных молекул a 2 b, тогда как другие сочетания субъединиц неустойчивы.

Если характер взаимодействия между всеми субъединицами олиго-мерного белка одинаковый, то возможно возникновение молекул с разным набором полипептидов. Так, например, у тетрамера, молекулы которого образуются из двух типов субъединиц А и Б, формируются олигомеры следующего состава: А 4 , А 3 Б, А 2 Б 2 , АБ 3 , АБ 4 . Все они представляют собой структурно близкие белки, выполняющие одну и ту же функцию в орга-низме. Молекулы олигомерного белка, построенные из разных полипеп-тидных субъединиц и выполняющие одну и ту же биологическую функ-цию, принято называть множественными молекулярными формами, или изоформами, данного белка.

Соединение полипептидных субъединиц в олигомерные молекулы происходит за счет нековалентных взаимодействий. Важную роль играют водородные связи, которые образуются между накладывающимися эле- ментами b-структур, входящих в состав белковых субъединиц, а также в результате взаимодействия радикалов аминокислот, имеющих группи- ровки:

CОOH, -OH, =NH, -NH 2 .

При рассмотрении третичной структуры белков было показано, что в поверхностной оболочке, окружающей гидрофобное ядро, также содер-жится много гидрофобных радикалов аминокислот, которые в результате сближения поверхностей третичных структур двух субъединиц вступают в гидрофобные взаимодействия, что вносит существенный вклад в форми-рование четвертичной структуры белков. Причем у некоторых белков гидрофобные взаимодействия являются главными факторами формирова-ния их четвертичной структуры. Так, например, у ряда регуляторных белков имеются характерные последовательности аминоислотных остатков, в которых с определенной частотой встречается гидрофобный радикал лейцина (в одном и том же положении через каждые 2 витка α-спирали). В результате взаимодействия двух субъединиц происходит гидрофобное совмещение их спиралевидных конфигураций и образование двойной спирали, соединяющей данные субъединицы в одну молекулу. Такой тип гидрофобного взаимодействия между полипептидами белка получил название "лейциновых петель".

Важными факторами формирования четвертичной структуры белков

являются электростатические взаимодействия между заряженными груп-пировками соседних субъединиц, представленными радикалами дикарбо-новых (аспарагиновая и глутаминовая кислоты) и диаминомонокарбоно-вых (лизин, аргинин) кислот. Таким образом, в результате совместного действия всех указанных факторов образуется достаточно устойчивая простран-ственная структура олигомерной молекулы белка.

Наиболее часто четвертичная структура белков представлена диме-рами, тримерами, тетрамерами и гексамерами, хотя и известны белки, содержащие в молекуле 8, 12, 24 и более субъединиц. Биологическая роль четвертичной структуры белков заключается в том, что путем соединения сравнительно небольших структурных элементов оказывается возможным формирование более сложных структур, обеспечивающих белку большую лабильность, способность выполнять конкретную биологическую функ-цию, возможность совмещения в одной пространственной структуре нес-колько функционально активных центров.

КОНФОРМАЦИЯ БЕЛКОВЫХ МОЛЕКУЛ

В клетках живого организма при определенной температуре, pH и концентрации физиологической среды белковые молекулы образуют тер-модинамически наиболее устойчивую в этих условиях пространственную структуру, обеспечивающую выполнение белком его биологической функ-ции. Такую пространственную структуру называют нативной конформа -цией белковой молекулы.

При изменении физиологических условий молекулы белков могут обратимо изменять свою нативную конформацию, при этом изменяется и их биологическая активность. Обратимые изменения нативной конформации белков (перестройка их пространственной структуры) имеют важное значение для регуляции ферментативной активности, транспорта ионов и метаболитов через мембраны, регулирования проницаемости клеточных мембран.

Как указывалось ранее, образование пространственной структуры белков определяется генетически детерминированной последователь-ностью соединения аминокислотных остатков в полипептидных цепях. Следовательно, нативная конформация белка зависит от его первичной структуры. Но вместе с тем для формирования нативной конформации белка требуется и весь набор факторов внутренней физиологической среды данной клетки (определенный pH, присутствие определенных ионов и других кофакторов).

Построение пространственной структуры белковой молекулы проис-ходит в процессе ее синтеза по мере удлинения полипептидной цепи, что, вероятно, и предопределяет последовательность взаимодействия группиро-вок при формировании вторичной и третичной структуры синтезируемого полипептида. В специальных опытах показано, что в белковой молекуле имеются аминокислотные остатки, которые являются активными инициа-торами нековалентных взаимодействий, облегчающих формирование про-межуточных структур в процессе перехода белка к нативной конфор-мации.

В правильном построении пространственной структуры белковых молекул участвуют специализированные белки - шапероны . Особенно много таких белков синтезируется в стрессовых условиях. Они образуют комплексы с полипептидными цепями, предотвращая их агрегацию в процессе формирования вторичной и третичной структуры. Один из участков белка-шаперона нековалентно связывается с развернутой полипептидной цепью, а другой присоединяет АТФ. При гидролизе АТФ шаперон переходит в другое конформационное состояние и его комплекс с формирующим пространственную структуру полипептидом распадается.

Известны и другие белки - катализаторы формирования простран-ственной структуры полипептидов. Так, в клетках высших организмов обнаружен фермент протеиндисульфидизомераза , катализирующий пра-вильное образование дисульфидных связей при формировании третичной структуры полипептидов. Он прелставляет собой димерный белок, содер-жащий в активном центре остатки аминокислоты цистеина.

В построении нативной конформации белка лимитирующей стадией может быть переход группировок пептидных связей из цис - в транс -конфигурацию. Особенно медленно проходит цис -транс -изомеризация группировок пептидных связей, образованных иминогруппой пролина. Для ускорения таких превращений в клетках организмов имеется специальный фермент пролил -цис -транс -изомераза .

Характерные особенности пространственной конфигурации гомоло-гичных белковых молекул, выполняющих одну и ту же функцию у разных организмов, определяются наличием одинаковых аминокислотных остатков в ключевых положениях, сильно влияющих на конформацию молекулы, тогда как в других положениях могут находиться разные аминокислотные остатки. Но они слабее влияют на конформацию молекулы.

Весьма характерное строение имеют мембранные белки, которые, как правило, содержат трансмембранные фрагменты в виде α-спиралей; от них отходят внемембранные полипептиды, обеспечивающие связь с окружающей физиологической средой. Трансмембранные полипептидные фрагменты могут быть образованы и в виде b-структур. Основные функции мембранных белков - транспорт молекул и ионов через мембрану, межклеточные взаимодействия, образование ионных каналов, передача внешних сигналов в клетку и др.

Под влиянием сильно действующих факторов (высокая температура, экстремальные значения pH, присутствие катионов тяжелых металлов, применение органических растворителей и детергентов) может происхо-дить разупорядочивание системы водородных связей, электростатических и гидрофобных взаимодействий в молекулах белков, что вызывает су-щественное изменение их вторичной и третичной структуры, приводящее к утрате нативной конформации. При этом белок уже не может выполнять свойственную ему биологическую функцию. Необратимое изменение пространственной структуры белковых молекул, которое сопровождается потерей их нативных свойств, называют денатурацией белков.

Наглядным примером денатурации является тепловая денатурация белков. При повышении температуры возрастает амплитуда колебаний атомов, что приводит к разрыву водородных связей и ослаблению элек-тростатических взаимодействий в молекулах белков, в результате чего происходит необратимое свертывание и осаждение белков из раствора. Большинство белков подвергаются денатурации при температуре 70–80˚C. Однако некоторые белки отличаются довольно высокой термостабиль-ностью. Так, например, ферменты термофильных бактерий сохраняют каталитическую активность при температуре 80˚C.

Известны вещества, стабилизирующие нативную структуру белковых молекул, и их присутствие в растворе повышает температуру дена-турации белков. К таким веществам относятся водорастворимые соли, содержащие катионы кальция (Ca 2+).

Денатурация белков может происходить в сильно кислой или сильно щелочной среде. В сильно кислой среде практически полностью подавляется диссоциация карбоксильных групп аминокислотных радикалов дикарбо-новых кислот и заряд белковой молекулы определяется положительными зарядами радикалов диаминомонокарбоновых кислот, взаимное отталкива-ние которых вызывает разрыв водородных связей и ослабление электростатических взаимодействий, стабилизирующих третичную структу-ру молекулы. В результате белки утрачивают нативную конформацию и подвергаются коагуляции (осаждению).

В сильно щелочной среде (pH>11) утрачивается положительный заряд радикалов диаминомонокарбоновых кислот и заряд белковой моле-кулы определяется отрицательными зарядами карбоксильных групп ди-карбоновых аминокислот, взаимное отталкивание которых вызывает раз-рыв водородных связей и ослабление электростатических взаимодействий в молекуле, вследствие чего происходит существенное изменение про-странственной структуры и денатурация белка.

Сильным денатурирующим действием обладают катионы тяжелых металлов, трихлоруксусная, хлорная, вольфрамовая и некоторые другие кислоты, которые образуют с белками нерастворимые соли.

Некоторые органические растворители (спирт, ацетон, формамид) способны взаимодействовать с гидрофобными радикалами аминокислотных остатков белков и с молекулами воды, вызывая ослабление гидрофобных взаимодействий и разрыв водородных связей, стабилизирующих третичную структуру полипептидов, в результате чего происходит денатурация белковых молекул.

Установлено, что денатурация белков в растворе или во влажном состоянии происходит значительно легче и быстрее, чем в высушенном состоянии, и это используется при разработке технологий сушки биоло-гического материала и различных растительных продуктов (зерна, макарон, овощей и фруктов). Сведения о денатурации белков также учитываются при выпечке хлеба и кондитерских изделий, приготовлении консервов и других пищевых продуктов.