Биохимия растений

ную структуру, которую обычно называют конформацией белковой молекулы.

Пространственное же строение каждого отдельного участк˝а

полипептидной цепи представляет собой вторичную структуру белка.

Формирование вторичной структуры белковых молекул зави˝-

сит от физико-химических параметров аминокислотных оста˝тков

и их последовательности в полипептидной цепи. Как уже был˝о

отмечено, атомные группировки пептидной связи располага˝ются в одной плоскости, а каждая такая плоскостная структура сое˝диня-

ется с соседней через α-углеродные атомы аминокислотных ради-

калов ковалентными связями, вокруг которых возможно вращ˝е-

ние плоскостных структур пептидных связей. Угол поворота˝ по

каждой из этих связей для каждого аминокислотного остатк˝а вполне определенный, зависящий от строения аминокислотн˝ого

радикала. Если на конкретном участке молекулы полипептид˝а

группируются аминокислотные остатки с близкими углами в˝ра-

щения по указанным связям, то и формируется однотипная вт˝о-

ричная структура.

В стабилизации вторичной структуры полипептида важную роль играют водородные связи, возникающие между группировками пептидных

связей по следующей схеме:

81

Водородные связи ориентированы вдоль оси спирали, при это˝м атомы кислорода, соединенные двойной связью с атомами угл˝ерода, обращены от них по спирали вперед, а атомы водорода, сое˝диненные с атомами азота, обращены от них по спирали назад. Бо˝-

ковые радикалы аминокислот также ориентированы вдоль ос˝и спирали по направлению, противоположному направлению по˝ли-

пептидной цепи (направление полипептидной цепи принято с˝чи- тать от N-конца к C-концу). Внутри α-спирали не образуется по-

лости, так как все пространство полностью занято группиро˝вками

пептидных связей и α-углеродных атомов. На поверхности α-ñïè-

рали находятся боковые радикалы аминокислот, которые мог˝ут

взаимодействовать как между собой, так и с веществами окр˝ужающей среды.

Большинство известных белков образуют α-спираль, у которой

спиралевидное закручивание полипептидной цепи происход˝ит по

направлению движения часовой стрелки. Расчеты показываю˝т,

что на каждый виток спирали приходится 3,6 аминокислотных о˝с- татка, а ход спирали при удлинении цепи на один аминокисло˝т-

ный остаток равен 0,15 нм. Диаметр условной цилиндрической

поверхности, на которой находятся α-углеродные атомы амино-

кислотных радикалов, составляет 1,01 нм (рис. 5.3).

Рис. 5.3. Структура α-спирали Полинга—Кори

82

Спиралевидная конфигурация вторичной структуры являетс˝я основной для фибриллярных белков, например белка волос, ш˝ерсти, перьев, рогов — кератина. Однако длина спирализованн˝ых участков глобулярных белков небольшая и обычно составля˝ет не-

сколько витков (3—4 оборота α-спирали). Спирализация полипептидной цепи возникает в том случае, когда на определен˝ном ее

участке группируются остатки α-аланина, лейцина, фенилалани-

на, тирозина, триптофана, цистеина, метионина, гистидина, ас˝парагина, глутамина, валина.

Довольно часто в структуре глобулярных белков встречают˝ся

изгибы и петли, поворачивающие пептидную цепь на определе˝н- ный угол. Наиболее характерной формой такой структуры явл˝яет-

ся так называемый β-изгиб, поворачивающий пептидную цепь

на 180°. Обычно β-изгиб включает 3—4 аминокислотных остатка, ключевым из которых является остаток аминокислоты гли˝-

öèíà.

Остатки аминокислоты пролина вызывают излом образующей˝- ся α-спирали с отклонением от ее оси на угол 20—30°. Это объяс-

няется тем, что азот пролина, входящий в структуру пептидн˝ых

группировок, не связан с атомом водорода и поэтому не обра˝зует водородной связи. Изгиб полипептидной цепи при образован˝ии

пептидной связи с участием иминокислоты пролина можно пр˝едставить следующим образом:

Есть аминокислоты (серин, изолейцин, треонин, лизин, аргинин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты), которые в соот˝ветствии со строением радикала формируют другой тип вторичн˝ой структуры, его называют β-структурой. В этой структуре водород-

ные связи образуются между CO- и NH-группами, находящимися в соседних отрезках полипептидной цепи, которые имеют пар˝ал-

лельную или противоположную направленность; в соответст˝вии с

ýòèì è β-структуры называют параллельными èëè антипараллельными.

83

(стрелками показаны направления полипептидных цепей)

84

В двух соседних цепях, формирующих β-структуру, в образовании водородных связей участвует половина CO- и NH-групп, что связано с чередованием пространственного расположения ˝аминокислотных радикалов. Боковые радикалы соседних аминокис˝лотных остатков находятся в транс-положении по отношению к пептидной группировке, поэтому в образовании водородных свя˝зей с соседней полипептидной цепью участвует каждая вторая пе˝птид-

ная группа. Оставшиеся свободными СО- и NН-группы могут образовывать водородные связи с аналогичными группами еще˝ одной цепи с противоположной стороны, а она со следующей пеп˝-

тидной цепью и т. д. Таким образом, с помощью водородных свя˝- зей могут быть соединены несколько пептидных цепей (2—10) протяженностью до восьми аминокислотных остатков вдоль˝ каждой из цепей, а у некоторых даже больше.

Отходящие в противоположные стороны от каждой полипептидной цепи радикалы аминокислотных остатков образуют п˝оверхности, имеющие складчатое строение. Складки этих поверхно˝стей

определяются углами связей α-углеродных атомов аминокислотных остатков (рис. 5.4). Очень часто поверхность β-структуры закручивается под определенным углом, образуя уже супервтор˝ичную структуру.

Вторичная структура полипептидов в виде α-спирали и β-струк-

тур относится к структурам, которые периодически повторяют в пространстве свои конфигурации, в связи с чем их называют˝регулярными структурами. Однако практически в каждой белковой молекуле имеются участки с вполне определенной простран˝ствен-

Рис. 5.4. Схематическое изображение трех полипептидных цепей, образующих β-структуру в виде складчатого слоя (над и под поверхностью˝ складчатого слоя нахо-

дятся радикалы аминокислотных остатков)

85

ной конфигурацией, но она не повторяется в других участка˝х. Такие разновидности вторичной структуры белка принято наз˝ывать

нерегулярными структурами.

Каждый белок в зависимости от первичной структуры, опреде˝-

ляющей набор и последовательность аминокислотных остат˝ков в его полипептидных цепях, содержит вполне определенные гр˝уп-

пировки аминокислот на отдельных участках молекулы, кото˝рые в зависимости от их физико-химических параметров способны˝ фор-

мировать тот или иной тип вторичной структуры. Поэтому в д˝ан-

ном белке в соответствии с последовательностью соединен˝ия ами-

нокислотных остатков на каждом участке реализуется сове˝ршенно

определенный тип вторичной структуры.

Известно очень мало белков с одинаковой вторичной структ˝у-

рой на всех участках молекулы. К таким белкам относятся ке˝ратин

(структурный белок шерсти, перьев, рогов) и коллаген (белок˝ су-

хожилий), имеющие конфигурацию молекулы в виде α-спирали,

а также белки шелка (фиброин) и семян канавалии (конканавалин А), образующие преимущественно β-структуры. Большинство

же белков формируют смешанный тип вторичной структуры,

включающий на конкретных участках молекулы и α-спираль, и

β-структуры, и нерегулярные структуры. Так, например, в белке˝

миоглобине 79 % составляющих его аминокислотных остатков ˝образуют вторичную структуру в виде α-спирали, 16 % приходится

на участки с нерегулярной структурой и 5 % участвуют в обра˝зова-

íèè β-изгибов. В растительном белке папаине 28 % вторичной

структуры представлено α-спиралями, 14 — β-структурами, 17 —

β-изгибами и 41 % — нерегулярными структурами.

На рисунке 5.5 показана схема возможного образования вторичных структур на одном из участков полипептидной цепи ф˝ер-

ментного белка глицеральдегидфосфатдегидрогеназы. Как ˝видно из представленной схемы, последовательности аминокисло˝тных остатков 9 → 22, 33 → 45, 78 → 81, 85 → 88, 95 → 98, 100 → 112, 129 → 133 образуют спиралевидную вторичную структуру, тогда

как аминокислотные последовательности 1 → 7, 26 → 32, 56 → 75,

90 → 94, 115 → 120, 126 → 128, 142 → 147 — β-структуры, другие аминокислотные остатки участвуют в формировании изгибо˝в и нерегулярных структур.

Третичная структура белков. Порядок размещения в простран-

стве всех атомных группировок полипептидной цепи принят˝о на-

зывать третичной структурой белковой молекулы. Впервые понятие о третичной структуре белков было сформулировано в 1958 ˝г. Д. Кендрью на основе рентгеноструктурного анализа прост˝ран-

ственной конфигурации белка миоглобина, в результате чег˝о уда-

лось выяснить трехмерную структуру этого белка.

В процессе дальнейших исследований было установлено, что˝ в

86

связываюбелка

толстой линией показано направление полипептидной цепи, тонкими˝ линиями — водородные связи в α-спиралях и β-структурах

87

построении третичной структуры белка важную роль играют˝ нековалентные взаимодействия между радикалами аминокислотн˝ых остатков, находящимися на поверхности вторичных структу˝р, а также дисульфидные связи, возникающие в результате взаим˝одей-

ствия сульфгидрильных групп (—SH) остатков аминокислоты ци˝- стеина. При формировании третичной структуры реализуютс˝я три

типа нековалентных взаимодействий: образование водород˝ных связей, электростатические и гидрофобные взаимодействи˝я.

Водородные связи соединяют между собой функциональные

группы боковых цепей аминокислотных остатков:

Насыщенность белковой молекулы водородными связями вес˝ь-

ма велика — не менее 90 % от возможного их образования. Важн˝ое

значение для стабилизации третичной структуры белков им˝еют также водородные связи, которые образуют группировки пол˝и-

пептидов с молекулами воды, формирующими жидкую фазу бел-˝

кового раствора.

Между заряженными группировками аминокислотных остат-

ков возникают силы электростатического взаимодействия:˝

R—COO–....Í3+N—R

Формированию компактной пространственной структуры в

значительной степени способствуют гидрофобные взаимоде˝й-

ствия между неполярными группировками боковых радикало˝в аминокислот, входящих в состав полипептидной цепи. В резу˝льтате гидрофобных взаимодействий происходит отталкивани˝е молекул воды от поверхности гидрофобных группировок и сбли˝же-

ние последних, вследствие чего полипептидная цепь сверты˝вается

в виде глобулы. При этом большая часть гидрофобных радика˝лов оказывается внутри глобулы и таким образом защищается от˝ контакта с молекулами воды, а гидрофильные радикалы, наоборо˝т, находятся на поверхности белковой глобулы, они образуют в˝одо-

родные связи с молекулами воды и стабилизируют пространс˝твен-

ную структуру белка.

К аминокислотам, имеющим гидрофобные радикалы, относятся глицин, лейцин, изолейцин, валин, аланин, фенилаланин, ци˝с-

теин, метионин. Гидрофильные радикалы содержат аминокисл˝от-

ные остатки треонина, серина, триптофана, тирозина, аспара˝гина

и аспарагиновой кислоты, глутамина и глутаминовой кислот˝ы,

лизина, гистидина.

88

Образующаяся в результате гидрофобных взаимодействий п˝ространственная структура полипептида имеет довольно пло˝тную упаковку, вследствие чего ее очень часто называют гидрофобным ядром белковой молекулы. Вокруг ядра формируется оболочка из

гидрофильных аминокислотных остатков, в которые могут бы˝ть включены и гидрофобные радикалы, образующие гидрофобные˝

выходы на поверхность белковой глобулы. За счет формирова˝ния таких структур обеспечивается специфичность взаимодейс˝твия

белковой молекулы с веществами окружающей среды. В состав˝

гидрофильной оболочки, окружающей гидрофобное ядро, вход˝ят

также молекулы воды, связанные водородными связями с поля˝р-

ными группировками белковой молекулы.

У многих белков важным фактором стабилизации третичной

структуры служат дисульфидные связи, которые образуются˝ при

взаимодействии остатков цистеина по такому же механизму˝, как и

при формировании димеров глютатиона (см. с. 78). Однако обра-˝

зование дисульфидных связей не является обязательным ус˝ловием стабильности третичной структуры белка, так как известно˝ до-

вольно много белков, формирующих устойчивую пространств˝ен-

ную структуру только за счет нековалентных взаимодействий.

При формировании третичной структуры белка может возни-

кать не одно, а два гидрофобных ядра и более, включающих дос˝таточно большие участки одной и той же полипептидной цепи.

Между этими ядрами образуются впадины и полости, играющие˝

важную роль в функционировании белка.

Третичная структура полипептидов складывается из элеме˝нтов

вторичной структуры. Так, в составе ряда белков третичная˝ структура представлена только α-спиралями, которые размещаются в пространстве в виде параллельных участков. Вместе с тем и˝звест-

ны белки, построенные в основном из β-структур, свернутых в пространстве под определенным углом. Однако у многих белк˝ов пространственная конфигурация молекулы формируется в в˝иде смешанных структур, включающих определенные сочетания α-ñïè-

ралей и β-структур. При этом довольно часто внутренняя часть

молекулы полипептида представлена β-структурами, которые на поверхности окружены α-спиралями.

На рисунке 5.6 показана третичная структура ферментных белков триозофосфатизомеразы и лизоцима. В молекуле триозофосфат-

изомеразы в центральной части представлены β-слои, которые

окружены α-спиралями. В лизоциме часть третичной структуры (в верхней части рисунка) образована в виде β-структур, а другая часть (в нижней части рисунка) представлена α-спиралями.

Для существующих в природе белков установлено строгое со˝от-

ветствие между первичной и третичной структурами полипе˝пти-

дов. Последовательность аминокислотных остатков в полип˝ептид-

89

1 2

Рис. 5.6. Схема третичных структур ферментных белков триозо˝фосфатизомеразы 1() и лизоцима (2)

ной цепи предопределяет ее пространственную конфигурац˝ию. Этот принцип подтверждается в опытах по конструированию˝ ами-

нокислотных последовательностей полипептидов, способны˝х

формировать пространственную структуру заданного типа.˝

Четвертичная структура белков. Многие белки представляют

собой сложные молекулы, образующиеся при нековалентном взаимодействии двух или нескольких полипептидов, каждый из

которых имеет свою третичную структуру. Такие белки приня˝то

называть олигомерами, а образующие их полипептиды — полипептидными субъединицами белка. Способ совместной упаковки и раз-

мещения в пространстве полипептидных субъединиц олигом˝ер-

ных белков называют четвертичной структурой белка.

Впервые четвертичную структуру белка установили методо˝м рентгеноструктурного анализа при изучении пространстве˝нной

конфигурации молекул гемоглобина (Перутц М., 1959). В этих ис-

следованиях было определено, что молекула гемоглобина со˝стоит из четырех субъединиц: двух α-полипептидных цепей по 141 аминокислотному остатку в каждой и двух β-цепей по 146 аминокис-

α1, α2, β1, β2 — отдельные полипептиды, образующие молекулу гемоглобина

90