линейных полипептидных цепей. Суть вопроса сводится к наличию кода взаимодействия

75

i

аминокислотных остатков друг с другом, что обеспечивает реализацию информации, уже заложенной в первичной структуре белка (и, естественно, в мРНК и ДНК) в виде элементов вторичной и надвторичной структур и, в конечном счете, в виде уникальной третичной структуры данного белка.

Четвертичная структура белка. Ранее уже было отмечено, что крупные молекулы белков состоят, как правило, из субъединиц со сравнительно небольшой молекулярной массой. Такие молекулы называют эпимолекулами (сверхмолекулы) или мультимерами, а составляющие их элементы—субъединицами или протомерами.

Структура, характеризующаяся наличием в белковой эпимолекуле определенного числа полипептидных цепей (субъединиц), занимающих строго фиксированное пространственное положение, вследствие чего белок обладает той или иной биологической активностью, называется четвертичной.

От четвертичной структуры следует отличать олигомериое и агрегированное состояние белка. Структура, характеризующаяся существованием в составе белковой частицы нескольких полипептидных цепей, число которых изменяется в определенной пропорции, называется олигомерной. Крайне важно, что, —v-мотря на относительное постоянство числа полипептидных связей в олиго-мгре белка и их упорядоченное расположение, у олигомера не возникает биологической активности. Так, например, сывороточный альбумин быка существует в виде мономера (М = 68000), димера (М = 136000), тримера (М = 204 ООО) и тетрамера, причем мономеры, объединяясь в олигомерные структуры, располагаются в составе ди-, три- и тетрамера упорядоченно. Однако это не сопровождается возникновением каких-либо новых качеств по сравнению с теми, которыми обладает мономер данного белка.

Под агрегированным состоянием белка подразумевают такую структуру белковых частиц, которая представлена неопределенным и изменяющимся в широких пределах числом полипептидных цепей. При этом агрегация мономеров тоже не приводит к формированию каких-либо особых свойств у белка, находящегося в таком структурном состоянии. Так, цитохром с (и другие цитохромы) обладают резко выраженной способностью к агрегации молекул друг с другом, но этому явлению не сопутствует изменение свойств фермента.

Сейчас выяснена четвертичная структура нескольких сотен белков. В 1965 г. информация о четвертичной структуре ограничивалась примерно 20 белками; в 1970 г. появилась первая солидная сводка, включавшая 108 белков, а в 1976 г. Д. Дарнелл и И. Клотц опубликовали таблицу, содержавшую перечень свыше 500 белков и данные о молекулярной массе мультимеров, протомеров и количестве последних в эпимолекуле.

Оказалось, что число субъединиц в эпимолекулах колеблется в очень широких пределах: от 2 до 162. Наиболее часто в составе молекул-мультимеров насчитывается 2 или 4 протомера, гораздо реже—6, 8, 10, 12 или 24 и в редчайших случаях—их нечетное количество. Четвертичной структурой обладают в основном белки с молекулярной массой выше 50000—60000, а белки с меньшими молекулярными массами существуют, как правило, в виде мономеров. Критическим пределом молекулярной массы белковой молекулы, сверх которого белок в большинстве случаев обладает четвертичной структурой, считают 100 000. Что касается молекулярных масс субъединиц, то они принимают самые разнообразные значения, от нескольких тысяч (например, 6000 у инсулина) до 330000 (у каждой из двух субъединиц тиреоглобулина—белка щитовидной железы, ответственного за биосинтез гормона тироксина—см. гл. XII).

Классическим примером белка, имеющего четвертичную структуру, является гемоглобин (рис. 38). Молекула гемоглобина (М = 68000) построена из четырех субъединиц с М = 17000 каждая. Первичная, вторичная и третичная

76

А Б

В Г

Рис. 38. Четвертичная структура белковых молекул:

Л—модели еубъединиц гемоглобина типа а (слева) ¦ Р (справа). Блоки, из которых составлены модели, характеризуют распределение электронных плотностей в разных частях молекулы; черная (слева) и белая (справа) линии указывают расположение хребта полипептидиой цепи; Б—трехмерная модель молекулы гемоглобина; субъединицы типа а (светлые) и Р (темные) расположены по углам почти правильного тетраэдра, темные диски—группы гема; В—модель молекулы вируса табачной мозаики: снаружи видны белковые субъединицы, темная спираль—нуклеиновая кислота; Г—расположение субъединиц в молекуле вируса табачной мозаики

(разрез)

структуры еубъединиц молекулы гемоглобина полностью выяснены. Они оказались попарно идентичными и были названы субъединицами типа аир. Субъединица типа а представлена полипептидной цепью из 141 аминокислотного остатка, Р—из 146. Третичная структура их сходна. Четыре субъединицы (две типа ос и две типа Р) соединяются в единую молекулу гемоглобина, располагаясь в углах почти правильного тетраэдра (рис. 38, Б). Таким образом, возникает почти шаровидная молекула с параметрами 0,50 х 0,55 х 0,64 нм.

Принципиальный интерес для будущего учителя химии и биологии представляет вопрос о том, как взаимосвязаны структура гемоглобина с его функцией—способностью связывать, переносить и легко отдавать кислород. Это явление детально изучается в средней школе. Непосредственно молекула кислорода присоединяется к Fe2+, закрепленному в центре молекулы гема (рис. 39), который, в свою очередь, удерживается в гидрофобном кармане каждой из субъединиц, будучи присоединен координационными связями к имидазольным радикалам гистидина, расположенным в дистальной и проксимальной частях полипептидной цепи, образующей а- или Р-протомер гемоглобина. Присоединение кислорода к Fe идет без изменения валентности последнего на одну из его свободных координационных связей; при этом радиус атома Fe2+ уменьшается и он вместе с 02 перемещается в плоскость порфиринового кольца. Здесь он удерживается до тех пор, пока молекула гемоглобина не будет перенесена в ткань с более низким содержанием 02, где и происходит обратный процесс отдачи кислорода. И связывание 02, и его высвобождение сопровождается конформационными изменениями структуры а- и Р-субъединиц гемоглобина и их взаимного расположения в мультимере.

77

Дисталыгый фрагмент % 'Л полипептидной цепи ¦ \\ \Л \\ субъединицы

На рис. 38 приведена также схема строения сложного белка (нукле-протеина)—вируса табачной мозаики. Его гигантская молекула (М — 40 ООО ООО) содержит небольшое количество (около 6%) РНК, остальное приходится на белок. Белковая часть складывается из большого числа (2130) субъединиц с М= 17 500 каждая. Молекула вируса табачной мозаики представляет собой полую палочку длиной около 300 нм и толщиной примерно 17 нм, с отверстием в центре диаметром в 4 нм. Каждая субъединица имеет размеры 2x7 нм. Субъединицы расположены по спирали, каждый виток которой образован примерно 16 субъединицами. Молекула нуклеиновой кислоты, следуя спиральному расположению субъединиц, проходит между их рядами. Вдоль молекулы располагается свыше ста витков из белковых субъединиц.

Самое поразительное явление, наблюдающееся при изучении четвертичной структуры белковых молекул, состоит в том, что объединение протоме-ров в молекулу мультимера осуществляется самопроизвольно. Предполагают, что в молекуле каждого протомера есть специфические участки, взаимодействующие с таковыми в других протомерах. При соединении протомеров в мультимер возникают ионные связи. В их формировании принимают участие ионы металлов и иногда низкомолекулярные органические соединения. Однако наибольший вклад в поддержание целостности структуры мультимеров вносят силы слабых взаимодействий, а именно—гидрофобные взаимодействия и водородные связи; суммарный эффект тех и других достаточно велик, чтобы обеспечить стабилизацию четвертичной структуры белков. Как вне организма, так, видимо, и в клетках мультимеры способны обратимо диссоциировать на протомеры.

Принципиально важно, что малейшее изменение третичной структуры протомеров делает невозможным соединение их в молекулы мультимера, что резко сказывается на биологической активности белка. Поскольку третичная структура белка задается его первичной структурой, а также зависит от ряда других факторов (рН среды, концентрация солей и т. п.), то даже незначительное изменение первичной структуры белка или стандартных условий в клетке приводит к изменению функциональной активности белков. Указанные явления лежат в основе регулярных процессов в организме.

Проксимальный фрагмент

Рис. 39. Структура активного центра и механизм связывания кислорода субъединицей гемоглобина (пояснения в тексте)

СВОЙСТВА БЕЛКОВ

Различают химические, физические и биологические свойства белков. Химические свойства белков отличаются исключительным разнообразием. Обладая аминокислотными радикалами различной химической природы, бел-

78

ковые тела способны давать широкий круг реакций. При рассмотрении свойств аминокислот эти реакции уже были перечислены. Все они характерны и для белков.

Особо важную роль в обеспечении определенных структурных особенностей белковых молекул и ряда их биологических свойств имеют реакции между радикалами аминокислотных остатков в пределах одной и той же белковой молекулы. При этом выявляется отчетливая зависимость третичной структуры белков от ряда внешних условий: рН среды, концентрации солей в растворе, окислительно-восстановительного режима клетки и др. Типы этих реакций отмечены на рис. 35. Весьма характерна для белков реакция гидролиза пептидных связей. Располагая значительным числом основных и кислых групп, белки проявляют амфотерные качества.

Некоторые физические свойства белков (молекулярная масса, двойное лучепреломление, подвижность в электрическом поле) рассмотрены выше. Кроме них, для белков характерны оптические свойства, заключающиеся в способности вращать плоскость поляризации света (оптическая активность1 белков), рассеивать световые лучи ввиду значительных размеров белковых частиц и поглощать ультрафиолетовые лучи. Перечисленные оптические свойства белков используют при их количественном определении, измерении молекулярной массы и т. п.

Одним из характерных физических свойств белков является их способность адсорбировать на поверхности молекул.(а иногда и захватывать внутрь молекулы) низкомолекулярные органические соединения и ионы. С этим свойством белков связана их транспортная функция в организме: некоторые белки являются хорошими переносчиками продуктов обмена.

К числу биологических свойств белков относят в первую очередь их биокаталитическую активность. Благодаря особому строению молекулы или наличию активной группы, соединенной с белком, многие белки обладают способностью каталитически ускорять ход химических реакций. Это свойство белков играет огромную роль в осуществлении процессов жизнедеятельности. Оно будет детально рассмотрено в главе о ферментах. Другое не менее важное биологическое свойство белков—их гормональная активность, т. е. способность воздействовать на целые группы реакций в организме. Ряду белков присущи токсические свойства, патогенная активность, защитные и рецептор-ные функции, триггерное поведение, ответственность за явления клеточной адгезии и, как следствие этого, морфогенеза и т. п.

Огромна пластическая роль белков: в сочетании с другими макромолекулами они дают начало смешанным биополимерам—нуклеопротеинам, липопро-теинам и гликопротеинам, которые, в свою очередь, обеспечивают возникновение субклеточных структур и надклеточных образований в организме. Характерно, что информация о том, как будет построена та или иная субклеточная структура, содержится именно в белковых молекулах. Сочетание своеобразных химических, физических и биологических свойств белков обеспечивает именно этому классу органических соединений центральную роль в явлениях жизни.

Еще одно своеобразное качество белковых тел—денатурация. Белки, обладающие всеми характерными природными свойствами, называются натив-ными. Часто под влиянием очень мягкой обработки, например легкого встряхивания, и тем более при грубых физических или химических воздействиях белки быстро теряют нативность и переходят в денатурированное состояние. Изменение уникальной структуры нативного белка, сопровождающееся потерей характерных для него свойств: растворимости, биологической активности, электрофоретической подвижности и т. п., называется денатурацией. Денатурация, как правило, затрагивает третичную и частично вторичную структуры

79

белковой молекулы и не сопровождается какими-либо изменениями первичной структуры. Поэтому при денатурации белка нарушаются главным образом дисульфидные мостики, солевые и водородные связи, а также гидрофобные взаимодействия в белковой молекуле. При определенных условиях денатурированный белок можно частично или полностью вернуть к исходному состоянию. Такой белок называют ренатурированным. Современная фундаментальная биология уделяет огромное внимание нарушению нативной конформации белков, связывая с нею важнейшие свойства клеток и, в частности, денатураци-онный механизм повреждения последних.

НОМЕНКЛАТУРА И КЛАССИФИКАЦИЯ БЕЛКОВ

Несмотря на то что первичная, вторичная и четвертичная структуры белков изучены в значительной степени и прогресс в этой области продолжается, до сих пор не создано ни строгой номенклатуры, ни научной классификации белков. Названия белкам дают по случайным признакам, чаще всего принимая во внимание источник выделения белка (например, наименование авидин— белок яйца—происходит от лат. avis—птица; казеин—белок молока—от лат. caseus—сыр;фазеолин—главный запасной белок фасоли—Phaseolus vulgaris и т. п.) или учитывая растворимость белка в тех или иных агентах, форму молекулы, аминокислотный состав и т. п.

Столь же несовершенна и классификация белков. В зависимости от положенного в основу классификации признака среди белков выделяют те или иные узкие или широкие группы. Так, характеризуя белки по степени сложности, среди них выделяют две большие группы: простые и сложные белки. К простым белкам, или протеинам, относят белки, дающие при гидролизе только аминокислоты. Сложными белками называют вещества, состоящие из протеина (простого белка) и добавочной группы небелковой природы. Поэтому ранее было принято называть сложные белки протеидами, т. е. подобными протеинам. Однако сейчас от этого термина отказались, и в зависимости от химической природы добавочной группы эти белки называют хромопротеинами, липопротеинами, гликопротеинами, нуклеопротеинами, металлопротеинами и т. п. Простые белки часто обозначают как однокомпонентные, а сложные— как двухкомпонентные.

По форме частиц белки делят на фибриллярные (волокнистые) и глобулярные (корпускулярные). Фибриллярные белки характеризуются очень высоким отношением Ь/а (несколько десятков единиц), их молекулы нитевидны и обычно собраны в пучки, которые образуют далее волокна. К числу фибриллярных белков принадлежат фиброин шелка, кератин волоса, коллаген кожи и др. Белки, имеющие невысокое отношение Ь/а (в пределах нескольких единиц) и, следовательно, палочкообразную форму молекулы, называют корпускулярными (корпускула—частица) или глобулярны