2.3.4. Вторичная и третичная структуры.

Под вторичной структурой белков понимают относительное расположение в пространстве аминокислотных остатков, зани­мающих соседние положения в аминокислотной последователь­ности. Напомним, что частичная двоесвязность амидной связи обусловливает ее планарность. По этой причине вращение воз­можно только вокруг двух из каждых трех связей пептидной цепи (рис. 2.18), что ограничивает число конформаций, которые может принимать короткий участок цепи.

РИС.2.7. Планарная природа пептидной связи ограничивает вращение вокруг связей пептидной цепи.

Как мы уже отмечали (рис. 2.14), существуют две основные формы вторичной структуры белков: сс-спираль и р-структура (jj-слой). Считается, что конформация фибриллярных белков волос, шерсти и ряда других объектов стабилизируется водо­родными связями между атомами соседних аминокислотных остатков. При свертывании белковой цепи в спираль возможно образование таких же связей между группой —С=0 одного остатка и группой —NH другого, отделенного от первого тремя аминокислотными остатками. Такое связывание без существенной деформации связей и углов полипептидной цепи возможно только при одной конформаций, называемой а-спиралью. Предполагается, что в молекуле коллагена, самого распространен­ного белка высших животных, имеются три а-спиральных участка, объединенных в одну суперспираль. Жесткие и относительно малоэластичные молекулы коллагена выполняют механическую (опорную) функцию. Коллаген обнаружен в коже, сухожилиях, роговице глаза и многих других органах; он важен в иммобилизации ферментов и клеток и как составляющая часть био­совместимых материалов.

Водородные связи не отличаются высокой прочностью, поэтому а-спиральные структуры легко разрушаются. Белки могут терять спиральную структуру в водных растворах в результате конкурентного образования водородных связей с молекулами воды. Если волокна шерсти обработать паром и растянуть, то белки шерсти принимают иную конформацию). Последняя характерна для нативных белков волокна шелка. р-Структура также стабилизирована водородными связями, однако в этом случае они возникают между соседними параллельными цепями. Для этой структуры характерны гибкость и в то же время высокая устойчивость к растяжению.

Свойства вторичной структуры фибриллярных белков используются в пищевой промышленности. Некоторые пищевые продукты растительного происхождения, например соевые бобы, являются ценными источниками незаменимых аминокислот; в то же время они не обладают консистенцией и текстурой мясных продуктов. Для придания им этих качеств растворенные глобулярные белки перерабатывают в так называемый «тексту-рированный белок» путем их трансформации в структуры, более близкие к линейным.

В результате чрезвычайно трудоемких и сложных экспериментов удалось определить полное пространственное строение {третичную структуру) нескольких белков. Для этой цели выращивали кристаллы чистого белка, которые затем изучали методом рентгеноструктурного анализа. В результате рассеяния рентгеновских лучей на атомах образуется сложная дифракци­онная картина, которая содержит информацию о деталях строения белка при разрешении до 2 А. Дешифровка этой информации в случае миоглобина (рис. 2.19) потребовала расчета 10 000 рядов Фурье, поэтому выяснение строения белков этим методом в общем случае целесообразно только при условии использования высокоэффективных компьютеров.

Как показано на рис. 2.6 и 2.8, третичная структура белков, особенно глобулярных, чрезвычайно сложна. На указанных рисунках без труда можно найти области со спиральной вторичной структурой, а в молекуле лизоцима, кроме того, имеются и участки с ^-структурой. Каким путем стабилизируются эти структуры и какой цели служит класс соединений, молекулы которых обладают таким разнообразным строением?

Взаимодействия между боковыми группами R, удаленными друг от друга в аминокислотной последовательности белков, определяют характер складывания или изгиба белковой цепи с образованием компактных конфигураций, типичных для глобулярных белков. Трехмерная структура белка формируется в первую очередь за счет некоторых слабых взаимодействий, в том числе ионных и водородных связей, а также гидрофобного взаимодействия между неполярными группами R (рис, 2.20). Подобно рассмотренным ранее мицеллам, образующимся из липидов, у многих глобулярных белков гидрофобные остатки сконцентрированы во внутренней части молекулы, а более гидрофильные группировки располагаются на ее поверхности. Такая конформация, иногда называемая моделью масляной капли, вероятно, наиболее устойчива в естественной для нативных белков водной среде. (Чем, по вашему мнению, отличается от опи­санной структура белка, входящего в состав клеточной мембраны?)

В биохимической технологии со многих точек зрения чрезвычайно важно понять, что эти слабые взаимодействия легко нарушаются при различных изменениях окружающей среды. В биологических системах энергия водородной связи составляет от 3 до 7 ккал/моль, а энергия ионной связи обычно равна 5 ккал/моль, поэтому уже умеренное нагревание может нарушить некоторые из этих связей. Изменение рН, ионной силы,

РИС.2.9. Различные типы связей и взаимодействий, стабилизирующих молекулярныю структуру белка.

физические воздействия и добавки органических веществ, очевидно, также могут нарушать третичную структуру белков, свойственную им в нативной форме.

В создании устойчивых конформаций белков важную роль-играют также ковалентные связи, особенно часто образующиеся между двумя остатками цистеина. Дисульфидная связь обра­зуется между двумя группами —SH путем элиминирования двух, атомов водорода:

исульфидные мостики играют роль поперечных связей в полипептидной цепи, а иногда они связывают две различные цепи; молекула инсулина, например, представляет собой две цепи, содержащие 21 и 30 аминокислотных остатков, соединенные двумя дисульфидными связями; третий дисульфидный Мостик образует внутреннюю поперечную связь в короткой цепи (рис. 2.10). По сравнению с указанными выше слабыми связями дисульфидные ковалентные мостики более устойчивы к термическому воздействию. В то же время дисульфидные связи легко восстанавливаются избытком сульфгидрильных соединений, например р-меркаптоэтанолом.

Конформация белка в существенной степени определяет его биологическую активность. Многочисленные экспериментальные факты свидетельствуют о том, что во многих случаях белок способен выполнять свойственную ему функцию, только находясь в определенной трехмерной структуре. Этот принцип, в частности, положен в основу так называемой модели «замка и ключа», достаточно наглядно объясняющей высокую специфичность белковых ферментов, катализирующих биохимические превращения. Известно, что данный фермент способен превращать только определенные соединения, называемые субстратами. Согласно модели замка и ключа (рис. 2.11), фермент обладает специфическим участком («замком»), который по своей структуре комплементарен молекуле субстрата («ключу»), поэтому с ферментом могут связываться (и, следовательно, подвергаться дальнейшим каталитическим превращениям) только-субстраты, обладающие необходимой пространственной структурой. Полученные в ходе изучения третичной структуры белков данные не только подтвердили эту гипотезу, но и помогли глубже понять механизм каталитического эффекта ферментов; на этой теме мы остановимся подробнее в следующей главе. Неоднократно показано, что непосредственная связь между пространственным строением белков и их высокоспецифически-

ми взаимодействиями с другими веществами характерна также для пермеаз, гормонов, антител и других белков.

Если белок находится в условиях, отличающихся от его обычного биологического окружения, он может подвергаться структурным изменениям, которые обычно сопровождаются потерей его функциональных свойств (рис. 2.23); этот процесс называют денатурацией. Денатурация может быть вызвана,, например, относительно небольшими изменениями рН и температуры раствора; в этом случае, как правило, она не сопровождается разрушением ковалентных связей. При медленном охлаждении разбавленного раствора денатурированного белка до свойственной ему в природных условиях температуры часто происходит обратный процесс, называемый ренатурацией, сопровождающийся восстановлением функции белка. Как и в случае многих других превращений, повышение температуры способствует росту энтропии (разупорядоченности) и, следовательно, разрушению глобулярных структур белков; охлаждение-благоприятствует осуществлению взаимодействий, обеспечивающих компактную структуру белка и его ренатурацию.

Принимаемая белком и определяющая его свойства конфор-мация характеризуется минимумом свободной энергии молекулы. Пока что эту концепцию нельзя использовать для предсказания структуры и функции белка, если известна только его аминокислотная последовательность. Она может, однако, оказаться полезной в тех случаях, когда необходимо высказать обоснованные предположения об изменении свойств белка в условиях конкретного технологического процесса (которые часто существенно отличаются от условий существования нативного белка) или в результате частичного изменения его аминокислотной последовательности. В частности, эта концепция помогает понять, почему связанный с твердой поверхностью •фермент менее активен, чем тот же фермент в растворе.

В настоящей главе много внимания было уделено связи между строением белков и их функцией. В то же время не следует забывать, что в силу слабости большинства взаимодействий и связей, стабилизирующих молекулы белков, реальные конформаций последних могут в существенной степени отклоняться от некоторой характерной усредненной конформаций. Более того, эта способность белков в ряде случаев тесно свя­зана с их биологической функцией подобно тому, как биологическая функция ДНК определяется ее способностью разделять-•ся в изотермических условиях внутри клетки на две цепи. С точки же зрения биохимика-технолога относительная легкость термической или химической денатурации многих белков говорит в первую очередь о том, что ферментативные и клеточные процессы можно регулировать путем изменения, например рН, температуры и ионной силы, только в довольно узких пределах. Денатурацию полезно учитывать и в некоторых других случаях, например при выделении белков и в конст­рукциях стерилизаторов .