Geum.ru

О. Э. Костерин общая биология курс лекций

Вид материалаКурс лекций

Содержание


Функция питательного ресурса
Транспортная функция
Функция движения
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   26
полипептиды. Под белками понимаются функциональные молекулы, которые могут состоять из одного полипептида, нескольких полипептидов – одинаковых или разных, или включать в качестве дополнения к полипептидам какое-то другое вещество – олигосахарид, нуклеотид (это элемент нуклеиновых кислот – об этом позже) или что-то еще. Но в любом случае основой любого белка являются полипептиды.

Итак, полипептиды состоят из аминокислот. Аминокислотой называется органическая молекула, включающая как кислотную группу -СООН, которая в растворах с нормальной кислотностью заряжена отрицательно, так и аминогруппу -NH2, которая при нормальной кислотности заряжена положительно. (Давайте привыкать изъясняться так, как принято в химии: кислотность раствора измеряется величиной pH, которая представляет собой минус десятичный логарифм молярной концентрации ионов водорода. Так называемое нейтральное значение pH, соответствующее чистой воде, – около 7. Это значит, что в литре воды находится 10-7 молей ионов водорода. В одном моле содержится 6 х 1023 (число Авогадро) молекул, значит в одном литре чистой воды присутствует 6 х 1016 ионов водорода. Кислой среде соответствуют значения pH равные 1–3, щелочной – 9–10.) Получается, что при нормальной pH молекулы аминокислот несут на разных своих концах одновременно и положительный, и отрицательный заряд (такие молекулы называются цвиттер-ионами). Однако в составе белков обе эти группы задействованы в связях между соседними аминокислотами, и заряда они не имеют. У аминокислот, входящих в состав белков, и кислотная, и аминогруппа присоединены к одному и тому же атому углерода. Такие вещества называются альфа-аминокислотами. У этого атома углерода остаются две свободные связи, одна из которых занята водородом, а вторая несет нечто называемое боковым радикалом.

Таким образом, мы, между прочим, снова имеем асимметричный атом углерода, обладающий свойством хиральности (оптической изомерии), что показано на рис. 3.1.

Как вы помните, в живых организмах встречались почти исключительно d-формы сахаров. Таким же точно образом аминокислоты в них тоже представлены только одним типом оптических изомеров, однако в данном случае – левовращающими, или l-формами. В составе белков встречаются только альфа-l-аминокислоты, различающиеся строением боковых радикалов. В большинстве учебников вы найдете, что аминокислот в белках всех известных организмов встречается ровно 20. И это почти верно. Все они представлены на рис. 3.2.

Аминокислоты делятся на две большие группы – неполярные, или гидрофобные и полярные, или гидрофильные, в зависимости от того, имеется ли у их боковых радикалов дипольный момент (т. е. по-разному заряженные участки). У неполярных аминокислот радикалы составлены из углерода и водорода, у полярных в них содержится также кислород, азот или сера. Кроме того, аминокислоты можно подразделять и по другим принципам. Найдите на рис. 3.2 все перечисленные ниже аминокислоты и соотнесите упомянутые их свойства со строением молекулы.

Прежде всего мы видим простейшую аминокислоту глицин с «нулевым» боковым радикалом – обе свободные связи углерода заняты у нее водородом. (Следовательно, эта аминокислота не имеет оптических изомеров.) Мы также видим пролин, у которого боковой радикал замкнут в кольцо на аминогруппу. Строго говоря, это не аминокислота, а иминокислота. Важной особенностью пролина является то, что он резко изгибает полипептидную цепь.

Далее идет группа алифатических аминокислот – аланин, валин, лейцин и изолейцин. Их боковые радикалы представлены простыми углеводородами. Неполярной является также аминокислота фенилаланин, которая несет ароматическое бензольное кольцо. (Можно особо выделить класс ароматических аминокислот, которые будут включать неполярную и несколько полярных аминокислот.)

Переходим к полярным аминокислотам.

Аминокислоты со спиртовой группой – серин, треонин. Аминокислота тирозин одновременно и ароматическая, и «спиртосодержащая», она несет фенольную группу.

Еще две ароматические аминокислоты, содержащие циклы с участием азота, – триптофан и гистидин.

Серосодержащие аминокислоты – метионин и цистеин. Цистеин очень важен как элемент структуры – боковые радикалы двух не находящихся по соседству цистеинов способны терять водород с образованием связи –S–S–. Эти так называемые S–S-мостики – единственный вид ковалентной связи, которая может соединять разные полипептиды или удаленные участки одной полипептидной цепи.

Очень важны аминокислоты, боковые радикалы которых в нейтральных растворах несут заряд. Положительно заряженные аминокислоты – лизин и аргинин, отрицательно заряженные аминокислоты – аспарагиновая и глутаминовая кислоты. Амиды этих кислот – аспарагин и глутамин – также находятся среди биологических аминокислот, они полярны, но не заряжены.

Почему именно 20 и почему именно эти 20? Ответа на этот вопрос не существует. Так получилось. Увы, это самый верный ответ практически для всех вопросов по биологии, когда какой-то другой ответ не самоочевиден. Этих 20 оказалось достаточно для построения белков с практически неограниченными функциональными возможностями. Скорее всего разнообразие боковых радикалов даже несколько избыточно, так как многие аминокислоты способны заменять друг друга. И аминокислоты скорее всего могли быть и какими-то другими (кроме самых простых), лишь бы были представлены основные их химические классы.

На самом деле аминокислот «чуть больше» 20. Некоторые аминокислотные радикалы уже после синтеза белка химически модифицируются и превращаются в несколько другие. Так, в коллагене (белке связок – он же желатин) содержатся в значительных количествах гидроксипролин и гидроксилизин – результат модификации соответственно пролина и лизина. Наконец, недавно обнаружилось, что у всех животных в некоторых белках используется аминокислота селеноцистеин – аналог цистеина, в котором сера заменена на селен. Причем это «законная» аминокислота. Как и у 20 канонических аминокислот, информация о ней записана в ДНК, хотя и несколько другим способом, и в тех белках, где эта кислота используется, она не может быть заменена на другую. (А используется она, в частности, в ферменте, который отщепляет атом йода в метаболизме гормонов щитовидной железы.)

Наш организм способен расщеплять некоторые аминокислоты в целях извлечения энергии. При их недостатке реакции расщепления этих аминокислот могут быть обращены в сторону их синтеза. Остальные аминокислоты наш организм делать не умеет и должен получать с пищей. Это так называемые незаменимые аминокислоты. У разных животных набор незаменимых аминокислот несколько различен. У человека незаменимых аминокислот ровно половина – 10: аргинин, валин, гистидин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан и фенилаланин. Растения и микроорганизмы умеют синтезировать все аминокислоты.

Аминокислоты объединяются (конденсируются) в белки следующим образом. Один из двух водородов аминогруппы одной аминокислоты и –OH из гидроксильной группы другой аминокислоты отщепляется с образованием молекулы воды, а соответствующие атомы углерода и азота связываются друг с другом с образованием амидной, или пептидной, связи. Это прочная ковалентная связь. Она, между прочим, задействована в капроне, который тоже является полимером определенной аминокислоты, которая, впрочем, состоит из аминокислот (но не альфа-аминокислот). На рис. 3.3 представлен фрагмент пептида – цепочка из аминокислотных остатков, связанных пептидной связью:

Как правило, все свойства полипептида, включая его пространственную укладку, полностью определяются последовательностью аминокислотных остатков, соединенных в линейную цепочку пептидной связью – его первичной структурой. Таким образом, любой полипептид можно полностью задать словом, длина которого равна количеству аминокислотных остатков и в котором используется 20 букв, каждая из которых соответствует одной аминокислоте (забудем пока для простоты про селеноцистеин). Этот простой, «буквенный» способ хранения и передачи информации и задействован в живых организмах – вся информация о первичной структуре белков содержится в ДНК, а ее главная функция как раз и состоит в хранении и передаче именно этой информации.

Заметим, что можно построить 20n полипептидов длиной n. Причем, если буквы написать в прямом и строго обратном порядке, это не будет один и тот же пептид, так как концы его будут различаться: в одном случае это свободная кислотная группа, в другом – аминогруппа. Это очень большое число! Допустим, для пептида длиной в 100 аминокислотных остатков – а по биологическим меркам это будет очень короткий пептид – оно составит приблизительно 1,27 х 10130. Так что в практическом отношении разнообразие белков безгранично.

Каждая полипептидная цепь более или менее характерным образом организована в пространстве. За эту организацию ответственны не пептидная связь аминокислотных остатков, а иные связи и взаимодействия. Прежде всего, атом водорода, связанный с атомом азота, вовлеченным в пептидную связь, может образовывать водородную связь с атомом кислорода, также вовлеченным в пептидную связь, но в другом месте. Эти связи укладывают полипептидную цепь определенным образом. Такая укладка за счет водородных связей между амино- и карбоксильными группами, участвующими в формировании пептидной связи, называется вторичной структурой. Когда принципиальное устройство белков было выяснено, ученые начали строить модели вторичной структуры и нашли два удачных варианта, в которых водородные связи образовывали регулярную вторичную структуру, которая, казалось бы, могла неограниченно продолжаться (рис. 3.4). Одна из них – спиральная (так называемая альфа-спираль), другая – плоская (так называемые бета-складки). Однако оказалось, что боковые радикалы многих аминокислотных остатков вносят такие возмущения во вторичную структуру, что в реальных белках встречаются только довольно небольшие фрагменты альфа-спиралей, а бета-складки реализуются редко и только при определенном аминокислотном составе.

Следующий уровень оганизации белков – их третичная структура – общая укладка полипептидной цепи в пространстве. Она целиком определяется боковыми радикалами аминокислот. Прежде всего это касается остатков цистеина, которые, как сказано выше, способны образовывать ковалентную S–S связь. Это единственная ковалентная связь, участвующая в формировании третичной структуры белков, все остальное достигается другими способами. Радикалы неполярных аминокислот в водной среде имеют тенденцию слипаться друг с другом (за счет упоминавшихся в предыдущей лекции гидрофобных взаимодействий). Такое слипание сворачивает белок в глобулы – некие компактные образования. Неполярные же радикалы заякоривают белки в гидрофобном слое клеточных мембран. Участки, богатые полярными аминокислотами, в водной среде, наоборот, стремятся развернуться как можно сильнее – за счет этого они обычно не имеют устойчивой третичной структуры. Однако между некоторыми полярными радикалами возможны водородные связи.

Наконец, если белок включает несколько полипептидных цепей, одинаковых или разных, которые объединяются друг с другом (при помощи тех же взамодействий боковых радикалов аминокислот), то это называется четвертичной структурой белка.

На рис. 3.5 схематически показана третичная и четвертичная структура белка гемоглобина. Это белок из красных кровяных телец, который обратимо связывается с кислородом и переносит его с током крови. В виде красной пластинки изображен так называемый гем – комплексная молекула с ажурным органическим каркасом и атомом железа посередине. Именно гем и связывает молекулу кислорода. Гем ковалентно присоединяется к полипептидной цепи, называемой глобин. Существует несколько типов глобинов, два из которых участвуют в создании гемоглобина. Четыре полипептидных цепи глобина, по две двух типов, каждая будучи связанной с гемом, формируют тетрамер, которым, собственно, и является гемоглобин.

Как видим, вторичная структура белков образована слабыми водородными связями, а в третичной и четвертичной только S–S-мостики представляют собой ковалентные связи, остальное же определятся опять-таки слабыми водородными связями и гидрофобными либо ионными взаимодействиями. Все эти слабые связи легко разрушаются при нагревании. Потеря белком своей вторичной, третичной и четвертичной структуры называется денатурацией. Денатурация бывает обратимой и необратимой. Обратимая восстанавливается при возвращении температуры в норму, необратимая – нет. Все, что связано с приготовлением мясной пищи, – это необратимая денатурация белков. Приготовление творога – тоже необратимая денатурация, сопровождающаяся склеиванием молекул казеина, – коагуляцией. Денатурацию может вызвать не только нагревание, но и, к примеру, изменение ионного состава среды.

Белки бывают большие и маленькие. Некоторые водорастворимые белки невелики – всего около сотни аминокислот. Рекордсменом среди белков, синтезируемых в виде единой полипептидной цепи, является титин. Он состоит из 26 926 аминокислотных остатков (молекулярная масса – 2 993 килодальтон, а 1 дальтон – это приблизительно масса нуклона, т. е. протона или нейтрона). Причем в момент синтеза его длина составляет 34 350 аминокислотных остатков, но после синтеза он определенным образом укорачивается. Эта полипептидная цепь в длину превосходит 1 микрометр. (Кстати, если кто-то еще не вник в то, какой мелочью мы занимаемся, тот может прикинуть длину полипептида в 100 аминокислотных остатков – в 270 раз меньше!) Это важный компонент поперечнополосатой мускулатуры, своеобразные пружины, которые обеспечивают мышцам остаточное натяжение покоя. Кстати, его полное химическое название состояло бы из 189 819 букв и, по-видимому, являлось бы самым длинным словом в европейских языках.

Мы помним, что строение углеводов имеет разные особенности, которые очень плохо ложатся на обыденный человеческий ум: при каком атоме находится кислород с двойной связью; как именно образуется циклическая форма, как направлены все четыре гидроксильные группы относительно цикла; какие атомы углерода вовлечены в гликозидную связь. Все это требует достаточно сложных описаний и схем, особенно в случае нерегулярных олигосахаридов. В то же время по своим физико-химическим свойствам углеводы не особенно разнообразны. Устройство же белков достаточно простое и логичное, но достигаемое разнообразие на практике мало отличается от бесконечного. Нужно запомнить 20 боковых радикалов аминокислот, а дальше можно просто записывать последовательность их чередования в виде последовательности букв, и свойства белка будут заданы. (Впрочем, условия «правильного» синтеза в клетке «помогают» многим белкам принять «правильные» третичную и четвертичную структуры, тогда как последовательность аминокислот предполагает возможность нескольких вариантов.) Приведем такую аналогию: работа с белками и углеводами отличается примерно так же, как игра на фортепиано и скрипке – в одном случае имеется одна клавиатура, в другом – параллельные струны с возможностью континуального извлечения разных тонов.

При единообразном в своей основе устройстве белков их свойства могут быть самыми диковинными, а -функции удивительно многообразны. Для простоты начнем с конца – со структурной функции. Какие вы знаете белки, выполняющие структурную (механическую или защитную) функцию?

Пример, в буквальном смысле лежащий на поверхности. Кератин – белок, из которого состоят волосы, рога, копыта, ногти, роговой слой кожи, роговица глаза. Это вещи очень прочные и химически инертные – ни в чем не растворимы, гидролизовать крайне трудно. Разве что горят. Полипептидная цепь кератина свернута в правую альфа-спираль. Две такие молекулы закручиваются в левую суперспираль. Такие суперспирали, в свою очередь, соединяются попарно и получается протофибрилла, и 8 протофибрилл образуют фибриллу. В составе коллагена очень много цистеина – единственной аминокислоты, которая, как вы помните, формирует ковалентные сшивки между разными полипептидными цепями.

Далее вспомним произведения искусства членистоногих – шелк и паутину. Их образует фиброин – тоже очень прочный белок. В структуре этого белка большую роль играют бета-складки.

Коллаген и эластин – белки, которые формируют соответственно нерастяжимые и эластичные нити в межклеточном веществе соединительной ткани. Они придают прочность внутренним органам, из них состоят связки. Аминокислотный состав коллагена также довольно необычен; 33,5 % составляет самая простая аминокислота – глицин, 11 % – следующая по простоте алифатическая аминокислота аланин, 10 % – иминокислота пролин, которая резко изгибает полипептидную цепь, а еще 9 % приходится на модификацию пролина – гидроксипролин. В его последовательности многократно повторен мотив «глицин – пролин – Х», где Х чаще всего представлен аланином или гидроксипролином. Молекулы коллагена формируют трехспиральные нити, причем они располагаются так, что эти нити могут продолжаться неограниченно долго. При кипячении трехспиральная структура частично разрушается (денатурирует), освободившиеся молекулы связывают довольно много воды. Мы получаем хорошо нам известный желатин, столь не похожий по своим физическим свойствам на коллаген.

Упоминавшийся выше титин также является структурным белком.

Менее общеизвестны, но еще более важны и универсальны белки, обеспечивающие внутриклеточную структуру. Белки образуют так называемый цитоскелет, поддерживающий форму клетки и взаиморасположение ее частей. Положительно заряженные гистоны взаимодействуют с отрицательно заряженной ДНК и формируют так называемый хроматин – нуклеопротеиновый комплекс, из которого состоят хромосомы. Белки принимают участие в формировании клеточных стенок бактерий (которые в основном образованы полисахаридами). Белки, которые формируют оболочку вирусов, также относятся к белкам со структурной функцией.

Белки, несущие положительно и отрицательно заряженные аминокислоты, тем самым попадают в класс амфотерных веществ. Такие вещества имеют свойства буфера – они способствуют стабилизации рН раствора. Поступающие в среду ионы водорода связываются с остатками отрицательно заряженных в норме аспарагиновой и глутаминовой кислот, вместо того чтобы повышать кислотность среды. ОН-ионы, наоборот, забирают протон от положительно заряженных аминогрупп лизина и аргинина, вместо того чтобы нейтрализовывать ионы водорода и тем самым создавать щелочную реакцию. В этом состоит одна из важных функций белков – буферная.

К буферной близки еще две функции – по удержанию влаги в условиях ее недостатка (у растений для этого есть специальные белки – дегидрины) и по предотвращению замерзания внутриклеточной среды при низкой температуре (т. е. функция антифриза). Эти функции выполняют белки, состоящие в основном из полярных аминокислот. При помощи водородных связей они связывают большое количество молекул воды, предотвращая их испарение или кристаллизацию.

^ Функция питательного ресурса. В организме белки как правило не используются в качестве энергетического резерва. Это было бы крайне нерационально, все равно как использовать нефть в качестве топлива. Однако питательный белок содержится в молоке. Как вы понимаете, растущему детенышу нужна и энергия, и материалы для построения своего организма, а он строится в основном из белков. Питательный белок молока называется казеин. Что любопытно, казеин – это то же самое, что столярный клей. Бесценный аминокислотный ресурс для одних может выполнять грубую механическую функцию для других. В семенах растений присутствуют так называемые запасные белки, которые также служат резервом готовых аминокислот для построения белков быстро растущего проростка. А в яйцеклетках животных большое количество аминокислот запасено в белках желтка.

^ Транспортная функция. Мы уже упоминали гемоглобин. Это белок, который обратимо связывается с кислородом – при этом большая часть молекул оказывается связанной с ним там, где кислорода много и свободной от него там, где кислорода мало. На этом основан перенос кислорода в крови. Многочисленные, разнообразные и весьма сложные белки осуществляют перенос разнообразных веществ из одной части клетки в другую.

^ Функция движения. Все движения в живом мире осуществляются белками. Определенные белки изменяют свою конформацию в ответ на определенные химические изменения. Актин и миозин, обеспечивающие мышечные сокращения, – белки. Жгутики бактерий и простейших также приводятся в движение белками.

Но все перечисленные выше функции можно смело назвать второстепенными. Большинство из них появляются только у достаточно сложных организмов. Главная функция, которую выполняет большинство белков, в том числе и у самых просто устроенных организмов, – это ферментативная функция. В химии есть понятие – катализатор. Катализатор – вещество, облегчающее протекание какой-либо химической реакции. Само оно либо не принимает участия в этой реакции, либо в ходе сложной реакции восстанавливается. Суть в том, что оно в ходе реакции не расходуется. Катализаторы очень важны в химических технологиях, в особенности для реакций с участием газов, и обычно представляют собой вещества, часто с участием нескольких металлов, с очень развитой поверхностью. Биологические системы целиком основаны на химическом катализе, причем подавляющую часть биологических катализаторов представляют собой белки. Белки, обладающие каталитической функцией, называются ферментами или энзимами. Оба этих слова образованы от слова «закваска»: fermentum по-латыни и ζυμε – по-гречески, у нас больше прижилось слово «фермент», в английском – enzyme.

Задачей каждого фермента служит осуществление одной (иногда более) химической реакции. Это может быть превращение двух молекул в одну, одной – в две или преобразование молекулы из одной в другую, т. е. осуществление некоей элементарной реакции. Но бывает, что ферменты осуществляют и очень сложные реакции, например удвоение цепи ДНК. Молекула или молекулы, вступающие во взаимодействие с ферментом и как следствие подвергающиеся химическим превращениям, называются