Белки, строение, свойства, значение

Что же заставляет белки  сворачиваться? В формировании вторичной  структуры принимают участие  гидрофобные взаимодействия, ионные взаимодействия, водородные связи и  ковалентные связи.

Гидрофобные взаимодействия. Как уже было сказано выше, существуют полярные и неполярные аминокислоты. Если в полипептидной цепи рядом  находятся гидрофобные аминокислоты (неполярные), то в водном растворе нерастворимые  в воде гидрофобные участки постараются  уйти от взаимодействия с водой, свернуться так, чтобы оказаться рядом и  укрыться от воды, образовать структуру  с минимальной потенциальной  энергией. Если рядом находятся заряженные аминокислотные остатки, то они будут  притягиваться в случае разноименных зарядов или отталкиваться в  случае одноименных зарядов. Поэтому  первичная структура белка, то есть, наличие гидрофобных или заряженных участков на полипептидной цепи, определяет то, как этот белок свернется. Или, если, к примеру, имеется пролин, то он будет держать соседние атомы  под определенным углом, определяя  тем самым их положение в пространстве.

Расположение элементов  вторичной структуры (альфа-спиралей и других элементов) в пространстве относительно друг друга называется третичной структурой белка.  

Но, кроме того, что  сам белок при попадании в  водный раствор примет ту конформацию, в которой он должен работать, в  клетке еще есть белки, которые называются шапероны (от слова shape - форма), которые  помогают другим белкам правильно сворачиваться. Если белки сворачиваются неправильно, то это может иметь катастрофические последствия. Несколько лет назад  в Европе была эпидемия коровьего  бешенства, и большое количество коров пришлось уничтожить. Коровье  бешенство (губчатая энцефалопатия  – мозг животного становится похож  на губку) вызывается не вирусом и  не бактерией, а особым клеточным  агентом – неправильно свернутым  белком. Этот белок приводит к образованию  в клетке конгломератов, то есть, белки  буквально выпадают в осадок, и  жизнь клетки нарушается, прежде всего, влияя на нервную систему. Это происходит потому, что белки, которые в норме в клетке взаимодействовали бы с этим белком, не могут этого сделать, так как он свернут неправильно, и поэтому клетка начинает неправильно функционировать. Таким образом, это болезнь неправильно свернутых белков. Эта эпидемия разразилась после того, как стали применять новую технологию переработки костной муки. При более низких температурах белки из костей больных животных, которые после переработки шли в качестве добавки к корму, перестали уничтожаться, а стали попадать в корм, вызвав тем самым эпидемию. Каким же образом неправильно свернутые белки попадают из пищеварительного тракта в мозг? Оказывается, что клеточные механизмы (ферменты протеазы), которые уничтожают отработанные белки, этот белок «угрызть» не могут. И прионные белки, не меняясь, могут очень долго сохраняться в организме. К тому же, некоторые белки устойчивы к воздействию температур.     

У людей есть аналог этой болезни. Это инфекционное заболевание  называется куру. Оно описано у  народов, имеющих привычку съедать  мозги умерших предков (из уважения к последним). В них как раз  и находились инфекционные белки. Это  так называемая медленная инфекция (белок ведь, в отличие от вируса, не размножается, а постепенно высаживает на себя другие клеточные белки, распространяя  вокруг себя плохую «привычку» неправильно  сворачиваться). Есть схожая болезнь  у овец скрейпи (характер такой же, просто дело в другом белке). И еще  есть наследственное заболевание, которое  называется синдром Крейтцфельда-Якоба. В одном из белков, который функционирует  в мозгах, происходит мутация. В других клетках этот белок также есть, но просто, в первую очередь, нарушения  сказываются на нервные ткани, так  как они эволюционно самые  молодые, и поэтому наиболее чувствительны  к любым нарушениям в функционировании клетки. Эта мутация не позволяет  белку правильно свернуться, и  поэтому у человека развиваются  все те же симптомы, что и при  коровьем бешенстве у животных.

Сейчас по первичной  структуре белка можно предсказать  многие элементы его вторичной структуры, то есть как белок свернется. Когда  были разработаны алгоритмы такого предсказания, устраивались соревнования, кто лучше предскажет структуру  белка. Например структура была известна по данным кристаллографии, но ее никому не показывали, и группы ученых , используя  свои алгоритмы, смотрели, чей алгоритм будет лучше.

На рисунке представлена первичная структура белка аполипопротеина  Е, он занимается транспортом холестерина, это человеческий белок. На рисунке  однобуквенным кодом записана последовательность аминокислот (первичная структура).  
 

Под первичной структурой представлена вторичная структура  белка, альфа-спиральные участки обозначены прямоугольниками. Над ними указаны  номера аминокислот (белок состоит  из 299 аминокислот). Пунктиром обозначен  участок, которые во время функционирования белка то расплетается, то опять  сворачивается. 

Ниже показана третичная  структура белка, то есть то, как  спирали расположены в пространстве и взаимодействуют друг с другом. У белка есть N – конец, это  та часть на которой находится  аминогруппа. Та сторона, на которой находится карбоксильная группа, называется соответственно С-конец.

Есть мутация в  этом белке, которая меняет заряд  одной аминокислоты. В результате меняются ионные взаимодействия внутри молекулы белка. Это меняет сродство белка к липидам разных классов. В результате повышается вероятность  развития старческого слабоумия, называемого  болезнью Альцгеймера. На этом примере, хорошо видно, как изменение одной  единственной аминокислоты может повлиять на функции белка.

На рисунке показано, как свернут белок. Arg-61, положительно заряженный, взаимодействует с отрицательно заряженной глутаминовой кислотой. Тут  образуется своеобразный мостик. Слева  на рисунке представлен белок, который  отличается одной мутацией от белка, изображенного справа. В нем происходит одна аминокислотная замена. Вместо нейтрального, незаряженного цистеина появляется положительно заряженный аргинин (Arg-112), с которым начинает взаимодействовать  с отрицательно заряженной глутаминовой кислотой (Glu-109), так как он расположен к глутаминовой кислоте ближе, чем  аргинин-61. Исчезает солевой мостик. Меняются взаимодействия внутри белка. Это приводит к тому, что меняет сродство к липидам. Его функция  заключается в переносе липидов. И он, вместо липопротеинов более  высокой плотности, начинает иметь  большее сродство полипротеинами меньшей  плотности. У людей с такой  мутацией более высокий уровень  холестерина и выше уровень риска  развития старческого слабоумия. Кстати, помимо физической нагрузки, профилактикой  развития старческого слабоумия  является умственная работа. Примерно 15% европейцев имеют такую мутацию, у бушменов же это число достигает 40% . Но им этот белок ничуть не мешает, а старческого слабоумия у  них не бывает вообще, так как  у них низко холестериновая диета  и много физических нагрузок. Им этот белок даже полезен, так как  холестерин им нужно запасать. У  людей же с западной «диетой» большое  содержание жиров, и «жадный» вариант  белка, дающий высокий уровень холестерина, становиться вредным. Холестерин нужен, но его не должно быть ни слишком  много, ни слишком мало. Таким образом, проявление изменений в первичной  структуре белка зависит от образа жизни.

Рентгеноструктурная кристаллография решает две главные  проблемы белковой химии: закономерности чередования последовательности аминокислотных остатков в полипептидной цепи и  закономерности конфигурации белковой молекулы.

Первые рентгенограммы белков, полученные еще в 30-х годах  У. Астбюри, а затем Л. Полингом и  Р. Кори, позволили установить наличие  в белках наряду с линейной полипептидной  цепью участков, определенным образом  скрученных.

Под вторичной структурой белка подразумевают конфигурацию полипептидной цепи, т. е. способ свертывания, скручивания (складывание, упаковка) полипептидной  цепи в спиральную или какую-либо другую конформацию. Процесс этот протекает  не хаотично, а в соответствии с  программой, заложенной в первичной  структуре. Подробно изучены две  основные конфигурации полипептидных  цепей, отвечающих структурным требованиям  и экспериментальным данным: -спирали и β-структуры.

Благодаря исследованиям  Л. Полинга наиболее вероятным типом  строения глобулярных белков принято  считать α-спираль. Закручивание полипептидной  цепи происходит по часовой стрелке (правый ход спирали), что обусловлено L-аминокислотным составом природных  белков. Движущей силой в возникновении  α-спиралей (так же как и β-структур) является способность аминокислот  к образованию водородных связей. В структуре α-спиралей открыт ряд  закономерностей. На каждый виток (шаг) спирали приходится 3,6 аминокислотных остатка. Шаг спирали (расстояние вдоль  оси) равен 0,54 нм на виток, а на один аминокислотный остаток приходится 0,15 нм. Угол подъема спирали 26°, через 5 витков спирали (18 аминокислотных остатков) структурная конфигурация полипептидной  цепи повторяется. Это означает, что  период повторяемости (или идентичности) α-спиральной структуры составляет 2,7 нм.

Для каждого белка  характерна определенная степень спирализации его полипептидной цепи. Степень  спирализации устанавливают путем  измерения удельного вращения плоскости  поляризованного света. Изменение  последнего находится в прямой зависимости  от степени спирализации белковой молекулы. Не все глобулярные белки спирализованы  на всем протяжении полипептидной цепи. В молекуле белка α-спиральные участки  чередуются с линейными. В частности, если α- и β-цепи гемоглобина спирализованы, например, на 75%, то лизоцима – на 42%, а пепсина – всего на 30%.

 Структура и  параметры α-спирали. 

Таким образом, стабильность вторичной структуры обеспечивается в основном водородными связями (определенный вклад вносят и главновалентные  связи – пептидные и дисульфидные).

Водородная связь  представляет собой слабое электростатическое притяжение (взаимодействие, связь) между  одним электроотрицательным атомом (например, кислородом или азотом) и водородным атомом, ковалентно связанным со вторым электроотрицательным атомом. Типы водородных связей представлены далее.

По современным  представлениям, водородная связь включает не только электростатические силы притяжения между полярными группами (взаимодействие атомов водорода с электроотрицательными  элементами: кислородом, азотом, хлором), но и электронные связи такого, же типа, как в ряде комплексных соединений. Водородные связи, являясь нековалентными, отличаются малой прочностью. Так, если для разрыва химических межатомных связей необходимо затратить от 84 до 8400 кДж, то для разрыва одной водородной связи требуется затратить всего, лишь 6,3 кДж на 1 моль. Поскольку в белковой молекуле число водородных связей очень велико (в образование водородных связей вовлечены все пептидные группы), они в сумме обеспечивают скручивание полипептидной цепи в спиральную структуру, сообщая ей компактность и стабильность.

Механизм возникновения  водородных связей в элементарной форме  может быть представлен на примере  взаимодействия двух молекул воды (диполи). В диполе воды, как известно, избыток  положительных зарядов приходится на атомы водорода, а избыток отрицательных  – на атомы кислорода. 

Благодаря особенностям строения атома водорода при достаточном  сближении двух молекул воды возникает  электростатическое взаимодействие между  атомом кислорода одной молекулы и атомом водорода второй молекулы воды. Следствием этого является ослабление связи между атомами водорода и кислорода в каждой молекуле воды и соответственно возникновение  новой, непрочной связи (отмечена пунктиром) между атомом водорода первой молекулы и атомом кислорода второй молекулы воды. Эту непрочную связь принято обозначать водородной связью.

В белковой молекуле наиболее важные водородные связи образуются между ковалентно связанным атомом водорода, несущим частичный положительный  заряд, и отрицательно заряженным ковалентно связанным атомом кислорода. Ниже представлены примеры водородных связей в белковой молекуле:

а) между пептидными цепями;

б) между двумя  гидроксильными группами;

в) между ионизированной СООН-группой и ОН-группой тирозина;

 г) между ОН-группой  серина и пептидной связью. 

В зависимости от химической природы атома-акцептора  водородные связи отличаются друг от друга степенью прочности. О количестве водородных связей в белковой молекуле судят по данным изотопного метода, в частности по времени обмена атомов водорода, участвующих в образовании  водородной связи, на дейтерий (при  обработке белка тяжелой водой D2O, в которой вместо обычного водорода содержится его тяжелый изотоп дейтерий).

Другой тип конфигурации полипептидных цепей, обнаруженный в белках волос, шелка, мышц и в  других фибриллярных белках, получил название β-структуры. В этом случае две или более линейные полипептидные цепи, расположенные параллельно или, чаще, антипараллельно, прочно связываются межцепочечными водородными связями между NH-и СО-группами соседних цепей, образуя структуру типа складчатого слоя. 

β-Структура полипептидных  цепей. 

В природе существуют белки, строение которых, однако, не соответствует  ни β-, ни α-структуре. Типичным примером таких белков является коллаген –  фибриллярный белок, составляющий основную массу соединительной ткани в организме человека и животных.