ических характеристиках белковой молекулы. Образно говоря, он хочет видеть не фотографию, а цветной кинофильм обо всех приключениях и превращениях функционирующей молекулы белка.

Первостепенное значение имеет выяснение конформацни нативного белка, которая определяет специфичность биологического действия. Поскольку условия эксперимента прн анализе пространственного строения пептидно белковых веществ обычно отличаются от условий, в которых они функционируют in vivo, в каждом случае необходимо строго доказывать, что исследуемая предпочтительная конформация в целом сохраняется в широком диапазоне параметров среды (например, в растворе или кристалле).

Таким образом, выяснение пространственного строения пептидов и белков представляет собой достаточно сложную задачу. В некоторых случаях трехмерная структура конкретного соединения может быть выяснена на основе какого-либо одного метода (например, с помощью рентгенеструктурного анализа кристаллического белка). При исследовании пептидов н небольших белков в растворах хорошие результаты дает сочетание ряда физико-химических методов. Иногда ценную информацию можно получить на основе применения, наряду с экспериментальными подходами, теоретических расчетных методов.

В белках, как уже отмечалось, различают несколько уровней пространственной организации, т. е. вторичную, третичную н четвертичную структуры. Хотя эти понятия несколько устарели для белков, а для пептидов не применяются вообще, ими пользуются ради преемственности, поскольку в конечном счете представляет интерес полное описание пространственного строения данного белка илн пептида с точными координатами атомов, со всеми конформацион-ными переходами — в непосредственной связи с выполняемой биологической функцией.

Стереохимия аминокислот. Все встречающиеся в белках аминокислоты (кроме пролина) могут быть изображены формулой NH2CHRCOOH, где R — радикалы различной природы. В общем случае это соединения с асимметрическим атомом углерода, и.

следовательно, каждая аминокислота может существовать в пространстве в виде двух форм — с L- и D-конфигурацией асимметрического центра.

83

Строение белков и пептидов

соон

I

с

L Аминокислота

ноос

и2иУ ^"н

D-Аминокислота

Принадлежность аминокислот к L- или D-ряду в случае простейших представителей (аланин, серин) доказывается прямым сведением их к соответствующему глицериновому альдегиду с помощью стереоспецифическнх превращений.

В состав всех белков входят только L-аминокислоты (исключение составляет оптически неактивный глицнн), которые могут быть представлены в виде проекционных формул Фишера:

СООН соон соон

HO—j—Н H2N —J— Н H2N —|— Н H?N —I—Н

СН2ОН СН3 СНгОН CH2CBHS

L Глицериновый L Алании L Серии L-Фвинлвлвнин альдегид

Принадлежность к L-ряду не обязательно связана с определенным направлением вращения плоскости поляризованного света: Г^ами-нокисло ы имеют как положительное, так и отрицательное вращение в зависимости от радикала R и условий исследования. Противоположную конфигурацию имеют D-аминокислоты:

СООН СООН соон

—I—NH2 Н—I—NH2 Н—I—NH2

СН2ОН СН3 СН2ОН CHgCeHs

D Глицериновый О Алании О-Серии D-Фвнилйлвннн

альдегид

Остатки D-аминокислот входят в состав многих природных пепти-

--дов, прежде всего антибиотиков. В частности, в грамицидин S входит

D-фенилаланин, в грамицидин А — О валин D-лейцин, D-трипто-фан, в актиномнцин D — D-изолейцин, в полимнксин — D-серин. D Пролин встречается в эргоалкалендах

Некоторые аминокислоты имеют два асимметрических углеродных атома, что обусловливает возможность существования четырех оптически активных стереомерных форм (2", где п — число асимметрических атомов) Этн формы проиллюстрированы на схеме для треонина и изолейцина.

Н N -Н-

-н

-он сн

L-Треонин

H2N--Н

НО--н

сн,

L алло Треонин

н-

но-

СНз

Н--NH:

Н--ОН

СН

D-влло-Треон!

соон

HjN— —Н

КС—|—Н

С2Н L-Июленцнн

H2N-

н-

С2Н5

соон

NHj

CHj

С2Нь D-Изолеици!

Н-

СООН NHj

НзС —f— н

C2H5

D- я л п о - И золе и ц|

Появление заместителя в пирролидиновом кольце пролина также приводит к образованию алло форм в которых заместитель (гид-роксигруппа) и карбоксильная группа находятся в цис положении

/МН\ / \СООН /NH\ СООН

он он

L 11 il Гидрси :ипролин D Гидронсипрелин D алло- Гидронсипропин

При кислотном гидролизе белков получается смесь L-аминокислот, которые с помощью дробной кристаллизации или хроматографии могут быть выделены в чистом виде. Аналогично при гидролизе ряда природных пептидов (грамицидины А и S, актиномнцин и т. п.) можно получить и соответствующие чистые D-амннокислоты

Часто аминокислоты для исследовательских целей и практичес- 85 ких нужд получают с помощью микробиологического синтеза (ли

зин н др.) — тогда продуктами являются L-нэомеры. Если же поль- Строение белков и пептидов зуются химическим синтезом, то обычно образуются смеси L- и D-нзомеров аминокислот, т. е. рацематы. Для их разделения используются различные приемы. Одним из наиболее распространенных является избирательный гидролиз ферментами (ацилазами, эсте-разамн и т. п.) М-ацетил-0,Ь-амннокнслот или соответствующих сложных эфнров D.L-амннокислот; в этом случае расщеплению подвергается лишь L форма н, таким образом, в растворе образуются свободные L-аминокислоты, которые легко отделяются от стабильных по отношению к ферментативному гидролизу производных D аминокислот

Другим приемом является образование солей D.L-амннокислот с оптически активными агентами, например алкалоидами бруцином и стрихнином, а также другими оптически активными аминами, производящимися в промышленных масштабах (амфетамин и др.). В силу различной растворимости соответствующих диастереомер-ных солей (D L и L.L) они разделяются путем кристаллизации нли дробного осаждения и при последующем разложении кислотами образуют оптически чистые L- и D аминокнсло ы Эти методы, ранее широко применявшиеся в лаборатории, постепенно утрачивают свое значение. В производственных условиях для разделения рацемических аминокислот все шире используются хроматография на оптически активных адсорбентах и иммобилизованные ферменты.

Пептидная связь. Главной структурной единицей белков и пептидов является пептидная (амндная) связь —СО—NH—. Согласно современным представлениям, пептидная связь в белках является практически плоской, ее основные параметры приведены на рисунке 33. В обычных условиях наблюдаются лишь небольшие отклонения от плоской системы (до 5— 10°); большие деформации возможны в напряженных циклических системах. Пептидная связь примерно на 10% короче обычной, простой С—N и имеет характер «частично двойной» связи —C=N—. При изучении этой проблемы Л. Полинг и Р. Кори, анализировавшие методом ре нтге неструктурно го анализа ряд модельных ди- и трипептидов, предложили в 1948 — 1955 гг. объяснять особую природу связи С—N «резонансом» между двумя формами пептидной связи а и б.

\

с-

// о

\ +/

- C = N / \

-о

ю

н

\ 8./ с— N.

О

Другими словами, в белках и пептидах связь С—N является частично кратной (как это показано структурой в) из-за взаимодействия неподеленной пары электронов атома азота с л-электрон-ной системой карбонильной группы, что приводит к затрудненному вращению вокруг связи С—N (барьер вращения составляет 63 — 84 кДж/моль).

Обычно пептидная связь имеет гранс-конфигурацию, т. е. является транспланарной (рис. 33. а). В напряженных циклических "нстемах (некоторые циклопептиды производные пролина н т п )

86 а также при большом размере заместителей у атома азота в N-алки-

---лированных производных пептидная связь может существовать

Белки и пептиды в плоской цис форме (рис. 33,6). Цис- и транс-пептидные связи

можно различить с помощью физических методов (ИК-, ЯМР-спектроскопни и др.). В белках пептидная связь практически всегда имеет гране конфигурацию

Рис. 3.1. Валентные углы и длины связей Рассмотрим теперь фрагмент пептидной цепи, включающий две

(в нм) в транс- и yuc-пептидных свя- плоские пептидные связи с подвижным (своего рода шарнирным) зях (а и б соответственно). сочленением в точке, где находится асимметрический углеродный

атом (рис. 34).

Рис. 34. Определение двугранных углов в нолипептидной цепи.

В этом звене пептидной цепн повороты возможны вокруг двух простых связей N—С" и Са—С, примыкающих к асимметрическому атому. Согласно принятой номенклатуре, такие повороты измеряются двугранными углами <| (N—С1) и if (С1—С); нередко используются также углы to (вращение вокруг пептидных связей С—N), а также х'. XJ и ДР- (вращение вокруг связей С"—С11, Ср—С н т. д.). В качестве нулевой точки отсчета принимается кон-формация (рис. 35), в которой »¦> = if = (¦> = 0° (заслоненное расположение остатков основной пептидной цепи). Направление отсчета углов — положительных (до + 180 ) и отрицательных (до — 180") — на рисунке 35 показано стрелками.

Легко понять, что любые конформации пептидной цепи могут быть описаны набором значений углов i|- и if у каждого из Са-атомов (обычно iu = 180"); другими словами, знание таких значений для всех пептидных звеньев эквивалентно полной информации о пространственном строении основной цепи белка н пептида.

Графически конформационные параметры полипептидной цепн удобно изображать с помощью карт, предложенных Г. Рамачандра ном в 1963 г. («карты Рамачандрана») и отражающих зависимость энергии остатка от параметров ц- и if (рис. 36). Значения углов ц и if откладываются по осям координат от —180° до +180'. В силу взаимодействия между заместителями в пептидной цепи углы у и if не могут принимать любые значения — для них разрешенными оказываются лишь некоторые дискретные области (выделенные на карте темным цветом), которые соответствуют энергетически выгодным конформациям пептидной цепи, т. е., по существу, являются областями минимума энергии. Их достаточно компактная локализация свидетельствует о том, что углы ц и if взаимосвязаны, изменение одного из ннх влечет изменение второго. Например, если угол ф приобретает значение в интервале 60 — 120", то для угла ц энергетически выгодным оказывается значение, не превышающее — 60°.

87

Строение белков и пептидов

Рамачандран (Ramachandran] Гопалача-мудрам Нарайана (р. 1922), индийский биофизик. Образование получил а Мадрасе (Индия) и Кембридже (Великобритания); профессор Мадрасе кого университета (1950), с 1970 г. возглавляет Отдел молекулярной биофизики Индийского института науки. Известен работами по пространственной структуре белков. Заложил основы теоретического кон форм ацио иного анализа пептидо белковых веществ.

88 Невалентные взаимодействия в пептидной цепи. Пространствен-- ная структура белков и пептидов в основном определяется невалент-

Белки и пептиды ными взаимодействиями между различными атомами. К нх числу

относятся ван дер ваальсовы, электростатические, нли ионные, нон-днпольные н диполь дипольные, гидрофобные, торсионные взаимодействия и водородные связи.

\ \ /

\ с=о с=о ¦ ¦ -Н—N

/ / \

с=о ¦ . « Н—N CHR CHR

/ \ \ /

Н—N CHR / " N—Н . - о=с

\ / \

CHR

/

Водородные связи, как правило, образуются между подвижным атомом водорода (—OH,—NH,—SH) и гетероатомом, чаще всего атомом кислорода. Водородная связь имеет донорно-акцеп-торную природу, т. е. она образуется с участием не оделенной электронной пары гетероатома (донор электронов): акцептором электронов является атом водорода. Наибольшее значение для формирования пространственной структуры белков имеют водородные связи между СО- и NH-группами пептидного остова.

Ри 36. Разрешенные области для двугранных углов основной цепи.

В неполярном окружении энергия водородной связи CO. .HN 89 составляет около 16,7 кДж/моль, а повышение полярности среды

снижает эту энергию. Строение белков и пептидов

Помимо указанных, возможны и водородные связи с участием функциональных групп боковых цепей, например:

--СН2—о—н -

О

/ //

с ----с

\ \

NH о

/

_н-.. о-

/

н

-СНз—СО—N—Н О—^

Труднее объяснить гидрофобные взаимодействия. По существу, такие взаимодействия имеющие энтропийную природу, связаны с тем, что неполярные заместители выталкиваются из воды и стремятся ограничить свой контакт с водой; напротив, вода стремится

^ V ~*

•• «Тх) • • • •

Л». Н

90 восстановить свое структурированное состояние и как бы прину-

дительно группирует заместители в кластеры, обладающие мини-Белки и пептиды мумом энергии. В такого рода «взаимодействия» вступают в основном неполярные боковые группы аминокислотных остатков.

Ван дер ваальсовы взаимодействия, описываемые потен налом Ленард-Джонса (рнс. 37), складываются из дисперсионных сил притяжения атомов и сил взаимного отталкивания их электронных оболочек. Как видно из рисунка 37, наиболее выгодным является расстояние R„„ равное или близкое сумме эффективных радиусов взаимодействующих атомов. Энергетический вклад каждого контакта невелик (<0,42 кДж/моль), но ввиду их большого числа ван-дер-ваальсовы взаимодействия дают основной вклад в суммарную энергию внутримолекулярных невалентных взаимодействий.

Рис. 37. Потенциал Ленард-Джонса {минимуму потенциала отвечает расстояние К,., и энергия притяжения Ет),

5 I

ш о

-0.2

0,2 1 * 1 1

е.,-

Астбери |Astbury) Уильям Томас

(1В9В—1961), английский кристаллограф. Образование получил в Кембриджском университете; работал в Университетском колледже, а затем в Королевском институте в Лондоне. Автор фундаментальных работ по изучению пространственной структуры кератина, миозина, фибрина и коллагена. Впервые обнаружил -структуру белков.

Ионные, нли электростатические, взаимодействия представляют собой взаимодействия заряженных групп. При этом, как известно, одноименно заряженные группы отталкиваются, а разноименно заряженные притягиваются. К ннм относятся, в частности, взаимодействия ионогенных групп, образующих солевые связи.

¦--NH— Ci I +

V

Arg NH

О \

— I С —СНа----

О Glu или Asp

Энергия солевых связей в гидрофобном окружении может достигать 41,9 кДж/моль, но их число в белках сравнительно невелико. Повышение диэлектрической постоянной среды понижает энергию солевых связей. Во многом аналогичны электростатическим ион-ди-польные н диполь днпольные взаимодействия.

Наконец, торсионные взаимодействия характеризуют «скручен ность» ординарной связи. В частности, поворот какой-либо группировки вокруг ординарной связи может нарушать электронную структуру этой связи и вызывать своего рода «тормозную» реакцию. Торсионные силы относительно слабы, но при анализе поворотов вокруг связей С—С, С—N в боковых цепях аминокислотных остатков их нельзя не учитывать.

Реализуемая в данных условиях конформация белка и пептида определяется суммой всех перечисленных взаимодействий и является энергетически наиболее выгодной, что и отражается «попаданием» соответствующих углов в разрешенные области конформационных «карт Рамачандрана».

Вторичная структура белков

Регулярная структура полипептидной цепи предопределяет возможность формирования