Главная > Разное > Биология и квантовая механика
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

8.3. Вторичная и более высокого порядка структуры белковых молекул

Биосинтез белковых молекул происходит в рибосомах клеток путем последовательного соединения пептидной связью аминокислотных остатков. Последовательность их расположения определяется молекулами ДНК, М-РНК и другими, несущими наследственную информацию. По мере синтеза полипептидная цепь как бы «выползает» из маленькой рибосомы в цитоплазму. В цитоплазме гибкая молекула белка принимает ту или иную форму — конформацию, или вторичную структуру, при сохранении всех ковалентных связей, обусловленных ее первичной структурой.

Сравнительная гибкость больших белковых молекул проявляется в наличии многих возможных конформаций, переходящих одна в другую при изменении внешних условий. Этим белковые молекулы существенно отличаются от малых органических молекул классической органической химии.

Одной из наиболее важных и интересных вторичных структур белковых молекул является а-спиральная структура, впервые установленная Полингом и Кори в 1953 г. [207]. Она возникает под действием внутримолекулярных водородных связей между пептидными группами молекулы белка.

Полинг и Кори показали, что а-спиральная структура, т. е. сворачивание пептидной цепи в спираль, обусловлена тремя цепочками водородных связей (рис. 14) между пептидными группами. Первая цепь связывает водород первой пептидной группы с кислородом четвертой, водород четвертой — с кислородом седьмой и т. д. Вторая цепь водородных связей осуществляется между водородом второй пептидной группы с кислородом пятой, водородом пятой — с кислородом восьмой и т. д. Третья цепь водородных связей осуществляется между водородом третьей пентидной группы с кислородом шестой, водородом шестой — с кислородом девятой и т. д. В результате образуется правая спираль с шагом 5,6 А и диаметром 4,56 А. Период спирали 27 А. На пять оборотов спирали приходится 18 остатков аминокислот. Все радикалы располагаются с наружной стороны спирали.

Рис. 14. Три цепи водородных связей в а-спиральной молекуле белка; О — кислород; — водород; — азот; пептидные группы получают номера входящих и них атомов углерода.

Энергия образования одной водородной связи между пептидными группами порядка 0,21 эВ. Следовательно, эта водородная связь относится к типу слабых. О небольшой энергии связи свидетельствует и малое смещение характеристических инфракрасных колебаний атомов в пептидной группе. При образовании водородной связи частота колебаний и частота колебаний изменяются и становятся равными соответственно (Амид I).

Колебание Амид I имеет энергию, равную и большой электрический дипольный момент. Согласно измерениям Ю. Н. Чиргадзе и Е. П. Рашевской [653, величина дипольного момента равна Он направлен вдоль связи Поэтому исследование спектров инфракрасного поглощения в области длин волн 6000 А позволяет судить о расположении этих связей и, следовательно, о расположении пептидных групп в молекуле. Ю. Н. Чиргадзе с сотрудниками [62—64, 98] разработали метод количественного анализа вторичной структуры белков в водных растворах и кристаллах, основанный на измерениях поляризации и интенсивности полосы поглощения, обусловленной колебаниями Амид I.

Белки и полипептиды, радикалы которых не содержат ароматических групп, поглощают свет в далекой ультрафиолетовой области спектра. Это поглощение обусловлено квантовыми переходами -электронов пептидной группы, участвующих в образовании дополнительной связи между атомами С и N. Полосы поглощения соответствуют частотам 52 600, 60600 и

более длинноволновая из них имеет энергию возбуждения приблизительно 6,52 эВ. Квантовый переход характеризуется большим дипольным моментом перехода

В а-спиральной молекуле белка эта полоса поглощения расщепляется на две полосы с максимумами в области длин волн 1980 А и 1890 А. Они поляризованы соответственно вдоль и поперек молекулы. Моффит (J. Chem. Phys., 1956, 25, 467) показал, что это так называемое давыдовское расщепление обусловлено резонансным взаимодействием периодически расположенных в молекуле пепетидных групп. Величина расщепления порядка

Если в состав первичной структуры белка входит остаток иминокислоты — пролина (8.2), то соответствующая пептидная группа не имеет водорода, так как у пролина атом азота удерживает только один атом водорода, который отщепляется при образовании пептидной связи с выделением молекулы воды. Атом азота такой пептидной группы не может образовать водородную связь с атомом кислорода соседней группы. Поэтому в месте расположения пролина структура а-спирали нарушается — происходит «излом» спирали.

Изгибы спиральной структуры часто происходят также в местах нахождения остатка простейшей аминокислоты — глицина (Гли), радикал которого содержит только атом водорода. Такое нарушение спиральной структуры белковой молекулы наблюдается наиболее часто в окрестности остатка Гли, если с ним соседствуют остатки Сер,

Стабилизация структуры с нарушенными участками спиральной структуры (спираль с локальными изгибами) осуществляется за счет возникающих химических и водородных связей между боковыми радикалами соседних участков молекулы. Из химических связей наиболее существенна дисульфидная связь (S-S), возникающая между атомами серы двух радикалов. Такая связь может возникнуть при сближении и окислении (потеря атома водорода) цистеиновых остатков, содержащих группы SH. Возможны также связи между радикалами, содержащими карбоксильные группы, и другими радикалами, содержащими группы ОН и NH.

В образовании вторичной структуры белка существенную роль играют и электростатические взаимодействия между радикалами, несущими электрические заряды. Отрицательные заряды получают радикалы остатков аспарагиновой и глутаминовой аминокислот при диссоциации в воде. Положительно заряжены остатки основных аминокислот! гистидил, лизил, аргинил. Процесс диссоциации зависит от pH среды.

Электрические взаимодействия между удаленными зарядами в значительной степени экранируются водой. Однако при сближении

Рис. 15.

Бета-структура белковых молекул, состоящая из четырех антипараллельных цепей.

противоположно заряженных радикалов их гидратные оболочки разрушаются и возникают так называемые солевые связи. Выигрыш свободной энергии Гиббса при образовании солевых мостиков обусловлен как кулоновским взаимодействием, так и «вменением структуры воды при разрушении гидратных оболочек.

Большинство белков при физиологическом значении pH несет суммарный отрицательный заряд. Некоторые белки в хромосомах содержат много лизина и аспаргинила, поэтому при физиологических условиях они заряжены положительно.

При изгибах полипептидной цепи и последующем сближении отдельных ее участков возможно образование поперечных водородных связей между пептидными группами, а не продольных связей, приводящих к а-спиральной структуре. В этом случае оба участка полимерной цепи выстраиваются параллельно или антипараллельно друг другу (рис. 15). Такой тип водородных связей между пептидными группами называют -формой. Он характерен для параллельно и антипараллельно уложенных полипептидных структур в белковых глобулах и в искусственно образованных полимерах: нейлоне, капроне и др.

В образовании стабильной формы белковой молекулы с нарушенными участками а-спиральной структуры существенную роль играют ее гидрофобные и гидрофильные взаимодействия с водой. Эти взаимодействия приводят к тому, что молекула сворачивается в клубок — глобулу, у которой на поверхности в основном располагаются участки с гидрофильными радикалами (глутамин, тирозин и др.), а внутри — с гидрофобными радикалами (лейцин, аланин, фенилаланин и др.).

Некоторые авторы к вторичной структуре белковой молекулы относят структуру, обусловленную только взаимодействиями между группами атомов внутри пептидной цепи (водородные, химические, ионные связи, дисульфидные мостики и т. д.). Конформацию всей молекулы белка, обусловленную ее взаимодействием с водным окружением, они относят к третичной структуре. Нам кажется такое разделение весьма условным.

В общем случае вторичная и третичная структуры белковой молекулы обусловлены ее первичной структурой, т. е. составом

и расположением аминокислотных остатков вдоль ее полипептидной цепи. Такая структура устанавливается после окончания синтеза всей белковой молекулы на рибосоме. Другими словами, в одинаковых внешних условиях белки с разной первичной структурой имеют и разные вторичную и третичную структуры — конфигурацию или конформацию х. Такая конформация соответствует минимуму свободной гиббсовской энергии системы, состоящей из белковой молекулы и ее окружения. Поскольку форма белковой молекулы существенно зависит от ее взаимодействия с внешней средой (вода, другие молекулы), то один и тот же белок может иметь различную конформацию в разных внешних условиях.

В работах О. Б. Птицына [52] и ряда других авторов предложен метод предсказания вторичной структуры белка по его первичной структуре. Той же проблеме посвящены и исследования В. Лима [42]. В результате этих исследований установлено, что образование длинных спиралей возможно внутри глобулы из участков, содержащих гидрофобные группы. Спиральными будут также участки молекулы, расположенные на поверхности глобулы, если их гидрофобные радикалы направлены внутрь глобулы, а гидрофильные находятся в контакте с водой.

В некоторых случаях несколько пептидных цепей объединяются за счет дисульфидных мостиков, водородных и ионных связей и вандерваальсовых взаимодействий в единую молекулу. Таковы, например, молекулы гемоглобина, «ходящие в состав красных кровяных телец (эритроцитов) крови. Они состоят из четырех пептидных цепей (см. п. 9.1). В этом случае говорят о четвертичной структуре белковой молекулы.

К молекулам, обладающим четвертичной структурой, относятся многие ферменты, катализирующие биологические реакции в клетках (см. § 9). Например, фермент фосфорилаза, ответственный

за занесение и деградацию гликогена в клетках, состоит из двух пептидных цепей с молекулярной массой 96 000 дальтон. А фермент аспартилтранскарбомилаза, входящий в систему, синтезирующую цитидинтрифосфат (ЦТФ), состоит из 12 полимеров. Шесть из них имеют молекулярную массу 35 000 дальтон, а шесть других — 17 000 дальтон. Наличие белков с четвертичной структурой исключительно важно для их физиологической активности (см. п. 9.3).

Белковые молекулы иногда объединяются в более сложные структуры. Например, а-спиральные белковые молекулы часто скручиваются попарно во вторичные спирали. Глобулярные белковые молекулы могут сами образовывать спиральные структуры. Такова, например, структура актиновых нитей в мышечных волокнах (см. п. 19.2).

Вторичная и более высокого уровня структуры обусловлены слабыми водородными связями, гидрофобными, гидрофильными и вандерваальсовыми взаимодействиями. Поэтому эти структуры нарушаются при нагревании до 60—70° С. Для разрушения первичной структуры без участия ферментов необходимы более высокие температуры.

Процесс разрушения вторичной и более высокого уровня структур, при сохранении первичной структуры молекулы, называется денатурацией белков. Вареная и жареная пища содержит денатурированные белки. Денатурация белковых молекул может происходить и при ультрафиолетовом облучении, воздействии солей тяжелых металлов и некоторых органических соединений. При денатурации белок теряет свои биологические функции.

Возможно также значительное изменение структуры белковой молекулы («частичная денатурация») на поверхности воды и в местах раздела водной и неводной среды. Попав на поверхность воды, глобулярная молекула меняет свою форму. Она «развертывается» в двумерную структуру так, чтобы неполярные группы выступили из воды, а полярные и заряженные остались в воде. В результате такой «поверхностной денатурации» молекула глобулярного белка становится более реакционно способной, так как обнажаются группы, скрытые ранее в воде. Вообще говоря, изменение формы белковой молекулы будет происходить и на границе между водой и другой крупной молекулярной структурой, например ферментом.

Обусловленное гидрофобными и гидрофильными взаимодействиями выстраивание белковых молекул происходит в биологических мембранах на границе между водной средой и двойным липидным (жировым) слоем (см. § 12).

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление