ловека—148 (Ю. Б. Алахов и др.); гуанилспе-цифичной РНКазы из нескольких видов аспергилла—102 (С. В. Шляпников и др.); рестриктазы Eco RV из кишечной палочки—241 (А. А. Баев и сотр.); нейротоксина III из актинии—48 (Т. А. Зыкова и др.); нейраминидазы, структурного белка нуклеопротеина и гемагглютинина вируса гриппа—470, 498 и 566 соответственно (А. Б. Беклемишев и др.); В4 полипептида глицинина из сои—251 (Е. С. Захарова и др.); гепаторедоксина из митохондрий печени быка—117 (В. Л. Чащин и др.); аспергиллопепсина А-320 (В. И. Остромыс-ловская и др.); фосфорибозиламиноимидазол-сукцино-карбоксамидсинтетазы пекарских дрожжей—306 (Н. А. Мясников и др.); белка VP1 вируса ящура— 254 (А. М. Онищенко и др.); онкобелка р53 мыши—390 (П. М. Чумаков и др.); пролактина из гипофиза человека—204 (Н. П. Мертвецов и др.); инсектотоксина из яда погребного паука—35 (Н. Ж. Сагдиев и др.); белка PV2 вируса гриппа—759 (Н. А. Петров и др.); А- и В-субъединиц токсина шигеллы—315 и 89 соответственно (А. А. Баев и сотр.); а-субъедицицы Na+, К+-АТФазы из мозга человека (III форма)—1013 (О. И. Макаревич и др.) и Р-субъединицы фосфодиэстеразы цГМФ—852 (В. М. Липкин и др.) аминокислотных остатка.

Каждый из белков, первичные структуры которых приведены выше (за исключением гемоглобина), представлен одной полипептидной цепью большей или меньшей длины. Чередование аминокислотных остатков в полипеп-тидной цепи индивидуального белка неповторимо и специфично. В некоторых случаях молекулы белков построены из двух или более полипептидных цепей, соединенных друг с другом ковалентными связями. Примером такого рода может служить молекула инсулина (см. рис. 29). В большинстве же своем молекулы белков состоят из нескольких полипептидных цепей, удерживаемых силами слабых взаимодействий.

При рассмотрении первичной структуры белковых тел возникает принципиально важный вопрос: осуществляются ли в белках все потенциально возможные комбинации из аминокислотных остатков, их составляющих, или существуют некоторые сочетания аминокислотных остатков, характерные для многих, а может быть, и для всех белковьгх тел? Ведь белки и пептиды

63

за счет перестановки аминокислотных остатков в полипептидной цепи могут давать огромное число изомеров:

Число аминокислот-

Возможное число изомеров

Число аминокислот

Возможное число изомеров

ных остатков в

ных остатков в

молекуле

молекуле

2 3 4 5 6

.1

2

6 24 120 720

7 8 9 10 20

5040 40320 362780 3362780 -2-1018

Понятно, что при увеличении числа аминокислотных остатков в белковой молекуле до нескольких сотен количество возможных изомеров может достигнуть астрономических величин. Однако анализ чередования аминокислот в белках, проведенный в последние годы, привел к открытию ряда закономерностей, позволяющих утверждать, что в белках реализуются далеко не все возможные первичные структуры. Прежде всего, в различных белках, а часто и в одном и том же, встречаются идентичные (тождественные) пептидные группировки. Особая роль в структурном подобии белков принадлежит тождественным трипептидным группировкам, но в некоторых случаях и более обширные фрагменты совпадают по порядку чередования аминокислотных остатков. Так, в 52 рибосомных белках тождественные трипептидные блоки повторяются 657 раз, тетрапептидные—86, пентапептидные—11, гексапептидные—3, гептапептидные—ни одного раза. Вместе с тем в полипептидных цепях есть аналогичные пептидные группировки, отличающиеся друг от друга взаимозаменяемыми аминокислотными остатками, т. е. такими остатками аминокислот, которые близки по строению или биогенетически, например: гли—сер, гли—ала, лей—иле, лей—вал, глу—асп и др. Установлено, что в ряде случаев первичные структуры различных белков включают 50% и более тождественных пептидных фрагментов.

Кроме того, значительные совпадения первичной структуры характерны для белков, выполняющих сходные биологические функции. Это показано, например, для семейства ферментов, ускоряющих реакции дегидрирования разнообразных субстрактов, а также для многих гидролаз, у которых последовательность аминокислотных остатков вблизи активного центра крайне близка и стандартна. Особенно высоким структурным подобием отличаются белки, выполняющие у разных видов одну и ту же функцию, что наглядно выявляется при сопоставлении первичных структур инсулина (табл. 8), а также цитохро-мов, гистонов, гипофизарных гормонов и других белков. У цитохромов, выделенных из синезеленых, красных и бурых водорослей, первичные структуры совпадают на 48—67%. Таким образом, видовая специфичность первичной структуры гомологичных белков сводится к ограниченному числу аминокислотных замен в полипептидной цепи в строго определенных положениях.

Богатейший материал этого рода дали анализы первичной структуры аномальных гемоглобинов человека, где замена всего лишь одной аминокислоты в а-, Р-, у- или б-цепи сопровождается возникновением каждый раз нового типа аномального гемоглобина. Таких гемоглобинов известно сейчас более двухсот. Они являются источником заболеваний человека, относящихся к категории молекулярных болезней. Так, например, при замене в Р-цепи гемоглобина человека шестого остатка глу на остаток вал возникает аномальный гемоглобин S. Это приводит к образованию эритроцитов серповидной формы с меньшим временем жизни, результатом чего является тяжелое наследственное заболевание—серповидная анемия.

64

Таблица 8

Различия в первичных структурах А- и В-цепей инсулинов разного происхождения

Источник инсулина Номера аминокислотных остатков Цепь А Цепь в 4 8 9 10 1 2 3 27 29 30

Кашалот, кит финвал, глу тре сер иле фен вал асн тре лиз ала

свинья (принят за эталон

сравнения)

Человек тре

Бык, собака ала вал

Коза, овца ала гли вал

Слон ала гли вал тре

Кит сейвал ала тре

Лошадь г<ш

Кролик ала вал сер

Крыса асп ала вал лиз лиз сер

мет

Мышь асп лиз лиз , сер

мет

Утка глу асн про ала ала сер тре

Цыпленок гис асн тре ала ала сер

Примечание. В остальных позициях цепей An В инсулина разного происхождения чередование аминокислотных остатков идентично; инсулин трески резко отличается по первичной структуре от инсулинов, перечисленных в таблице видов.

Вторичная структура белка. Строго линейная полипептидная цепь присуща крайне ограниченному числу белков. Одним из таких белков является фиброин шелка—белок, выделяемый гусеницами шелкопряда. В силу особых условий формирования шелкового волокна в мощном мускульном прессе гусеницы нитевидные молекулы фиброина, почти лишенные обрамляющих главную по1гапептидную цепь радикалов, ориентируются вдоль шелкоотделительного протока и плотно упаковываются по ходу шелкового волокна, приобретающего на некоторых участках псевдокристаллическое строение. Рентгеноструктур-ный анализ дал возможность выявить в первую очередь именно линейный характер полипептидных цепей в фиброине шелка и, таким образом, в 30-е годы нашего столетия возникло представление о белковой молекуле как полностью вытянутой полипептидной цепи с периодом идентичности В 0,71 нм (подобной той, что изображена на рис. 23).

Однако позднее также рентгенографически было найдено, что даже в фибриллярных белках, не говоря уже о глобулярных, очень редко удается обнаружить полностью растянутые полипептидные цепи. Рентгеновские снимки постоянно указывали на наличие в белках цепей, каким-то образом сложенных или скрученных, для которых повторяемость расположения структурных элементов составляла 0,54 нм. На основании анализа рентгенограмм растянутых и нормальных волокнистых белков, таких, как кератин волоса, В. Астбери и Ф. Белл (1941) впервые предложили модель свертывания полипептидной цепи. Она вполне объясняла наблюдаемый в опытах период идентичности в 0,54 нм и его изменение при растяжении белкового волокна. Эта модель была уже построена с учетом того, что валентные углы и межатомные расстояния, характерные для пептидной связи и ее ближайшего окружения, не должны нарушаться.

Линия на моделирование как средство решения проблемы структуры белковой молекулы была продолжена Л. Полингом и Р. Кори (1949—1951). Они

i—3502 65

выдвинули критерии условий построения модели, отражающей возможное кон-формационное состояние полипептидной цепи в белковой молекуле.

Исходя из выдвинутых критериев, Л. Полингом и Р. Кори были построены спирали а- и б-типа, а Б. Лоу и Р. Бейбуттом—тс-спираль.

Так как только характеристика а-спиральной конформации цепи совпадала с величинами, наблюдаемыми при рентгеноструктурном анализе белковых кристаллов, то именно она и была признана Л. Полингом и Р. Кори в качестве одного из структурных элементов, реально существующих в белковых молекулах (рис. 30). Сейчас представление о существовании а-конформации полипептидной цепи в белках является общепринятым.

Как видно из рисунка, а-спираль характеризуется предельно плотной упаковкой скрученной полипептидной цепи, так что все пространство внутри мыслимого цилиндра, в пределах которого идет закручивание, заполнено. На каждый виток правозакрученной ос-спирали приходится 3,6 аминокислотных остатков, радикалы которых направлены всегда наружу и немного назад (вверх на модели), т. е. отклонены в сторону начала полипептидной цепи. Правый ход спирали легко установить, если смотреть в торец спирали со стороны N-концевой аминокислоты полипептидной цепи (начало молекулы): на модели ясно видно, что закручивание полипептйдной цепи идет по часовой стрелке. Шаг спирали (расстояние между витками) составляет 0,54 нм, а угол подъема витка равен 26°. Период идентичности, т. е. длина отрезка спирали, полностью повторяющегося по ходу ее, составляет 2,7 нм (18 аминокислотных остатков).

Важнейшую роль в формировании и поддержании а-спиральной конфигурации полипептидной цепи играют водородные связи, возникающие между —СО- и —NH-группами хребта полипептидной цепи, расположенными на соседних витках спирали (рис. 30). И хотя энергия этих связей невелика, большое количество их приводит к значительному энергетическому эффекту, в результате чего а-спиральная конфигурация достаточно устойчива и жестка. Предполагают, что я-электроны СО- и NH-группировок полипептидной цепи могут вступать во взаимодействие через водородные связи, осуществляющие контакт соседних витков а-спирали. В результате на спирализованных участках белковой молекулы возникают зоны сопряжения электронов. Они могут служить для передачи энергии возбуждения электронов, что имеет огромное значение для осуществления химических реакций и трансформации одного вида энергии в другой. Таким образом, под вторичной структурой белковой молекулы подразумевают ту или иную конфигурацию, характерную для одной или нескольких полипептидных цепей, входящих в состав молекулы.

Не следует представлять дело так, что в любом белке полипептидная цепь полностью спирализована. Такие случаи очень редки. Видимо, для каждого белка характерна та или иная степень спирализации полипептидной цепи:

Белок

Доля спиральной конфигурации, %

Парамиозин

Миоглобин

Гемоглобин

Альбумин сывороточный свиньи

Альбумин куриного яйца

Лизоцим куриного яйца

Вирус табачной мозаики (субъединица)

Пепсин

Рибонуклеаза

Химотрипсиноген

100 75 75 50 45 35 30 28 17 11

66

Рис. 30. Модели и схема а-спирали

На модели «-спирали (слева) зачернены участки спирали, обращенные к наблюдателю; пунктиром обозначены водородные связи между СО- и NH-группами, расположенными на сосадаих гц участках спирали; атомы водорода показаны в виде маленьких кружочков. На схеме et-спирали (рядом) опущены все радикалы и показан ход хребта полипептидной цепи соответственно Zj таковому в модели. Правее даны изображения ot-спирали и it-спирали (крайняя справа) с учетом планарности пептидных связей

Таким образом, в белковых молекулах спирализованные участки полипептидной цепи закономерно чередуются с линейными.

В природных белках существуют лишь правозакрученные а-спиральные конформации полипептидных цепей, что сопряжено с наличием в белковых телах аминокислот только L-ряда (за исключением особых случаев).

Наряду с а-спиральной структурой в белковых молекулах наблюдается также Р-структура. Под последней подразумевают слоистые структуры, образуемые при сочетании участков полипептидной цепи, находящихся в Р-конформации, т. е. в виде линейно построенных пептидных фрагментов. Линейная конформация этих фрагментов удерживается благодаря возникновению водородных связей между параллельно идущими и сближенными на расстояние 0,272 нм (соответственно длине водородной связи между СО- и NH-группами) участками полипептидной цепи (рис. 31). Подобные структуры в массовом количестве представлены в волокнистых белках, например в фиброине шелка. Однако и в глобулярных белках Р-структуры присутствуют систематически и часто превалируют над а-структурами.

Возникновение а- и Р-структур в белковой молекуле является следствием того, что аминокислоты и в составе полипептидных цепей сохраняют присущую им способность к образованию водородных связей. Таким образом, крайне важное свойство аминокислот—соединяться друг с другом водородными связями в процессе образования кристаллических препаратов—реализуется в виде а-спиральной конформации или р-структуры в белковой молекуле. Следовательно, возникновение указанных структур допустимо рассматривать как процесс кристаллизации участков полипептидной цепи в пределах одной и той же белковой молекулы (рис. 32).

Способность к образованию водородных связей, являющихся движущей силой при возникновении а- и р-структур в белковой молекуле, присуща разным аминокислотам в неодинаковой степени. Среди них вычленяют группу спиралеобразующих аминокислот, куда входят ала, глу, глн, лей, лиз, мет и гис. Если остатки перечисленных аминокислот сконцентрированы в какой-то части полипептидной цепи или превалируют в ее составе, то а-спирализация осуществляется очень гладко. Наоборот, такие аминокислоты, как вал, иле, тре, тир и фен, способствуют образованию Р-слоев полипептидной цепи. Гли, сер, асп, асн и про имеют отношение к преимущественному возникновению неупорядоченных фрагментов в ее составе. Рис. 33 иллюстрирует один из вариантов сосуществования а- и Р-структур в одном и том же белке.

Третичная структура белка. Сведения о чередовании аминокислотных остатков в полипептидной цепи (первичная структура) и наличие в белковой молекуле специализированных, слоистых и неупорядоченных ее фрагментов (вторичная структура) еще не дают полного представления ни об объеме, ни о форме, ни тем более о взаимном расположении участков полипептидной цепи по отношению друг к другу. Эти особенности строения белка выявляют при изуче