Структура белков

Ациклические аминокислоты. В зависимости от количества карбо­ксильных и аминных групп различают моноаминомонокарбоновые, моноаминодикарбоновые, диаминомонокарбоновые и диаминодикарбоновые кислоты.

Моноаминокарбоновые кислоты. АК этой группы содержат 1 аминогруппу и 1 карбоксильную группу.

Глицин (гликокол), или α-аминоуксусная кислота, образуется при гидролизе белков и синтезируется в организме.

H—СН₂— СООН

|

N H₂

Является предшественником в синтезе ряда биологически активных соединений: пуринов, порфиринов, глутатиона, креатина, гликолевой и гиппуровой кислот.

α-Аланин, или α-аминопропионовая кислота.

Н₃С—СН₂— СООН

|

N H₂

Аланин и его произ­водные составляют 60-65 % АК, содержащихся в белках. Образуется при гидролизе белков и синтезируется в организме.

Серин, или -амино-β-оксипропионовая кислота. Является одним из компонентов, входящих в состав активных центров ферментов. Гидроксильные группы остатков серина в молекулах белков метаболически активны и способны фосфорилироваться под контролем специфических протеинкиназ:

СООН | H2N—СН | СН2ОН		СООН | H2N—СН | СН2ОРО3Н2
Серин		Фосфосерин

Фосфосерин входит в состав сложных белков – фосфопротеидов. Серин образуется при гидролизе белков и синтезируется в ор­ганизме.

Цистеин, или α-амино-β-тиопропионовая кислота. Получен в 1890 г. из белков волос, рогов, копыт некоторых животных. Это нестой­кое соединение характеризуется наличием сульфгидрильной груп­пы SH:

СООН

|

H₂N—СН

|

СН₂SН

Сульфгидрильная группа этой АК легко окисляется. Цистеин входит в состав структурных белков и многих ферментов.

β-Аланин, или β-аминопропионовая кислота. Входит в состав коэнзима А, пантотеновой кислоты, ансерина и карнозина. В составе белков β-аланин не обнаружен.

α-Аминомасляная кислота В составе белков не обнаружена.

γ-Аминомасляная кислота. В составе белков не обнаружена. Образуется при декарбоксилировании глутаминовой кислоты.

СООН | H2N—СН | СН2 | СН3	СООН | СН2 | СН2 | СН2—NH2
α-Аминомасляная кислота	γ-Аминомасляная кислота

Метионин, или α-амино-γ-метилтиомасляная кислота. Это серосодержащая аминокислота, которая имеет также подвижную метильную группу. Метионин является предшественником универсального донора метиль­ных групп в процессах переметилирования S-аденозилметионина. Участие метионина в процессах переметилирования, например, в синте­зе холина, обусловливает его липотропное действие. При отщеплении от метионина метильной группы образуется гомоцистеин:

СООН | H2N—СН | СН2 | СН2—S—СН3	СООН | H2N—СН | СН2 | СН2—SН
Метионин	Гомоцистеин

Треонин, или α-амино-β-оксимасляная кислота. В орга­низме не синтезируется. Имеет два асимметрических атома углерода (в α- и β-положениях) и может находиться в виде четырех изомеров. Оксигруппа треонина может фосфорилироваться:

СООН | H2N—СН | СН—ОН | СН3	СООН | H2N—СН | СН—О—РО3Н2 | СН3
Треонин	Фосфотреонин

Валин или а-аминовалериановая кислота, α-амино-β-метилмасляная кислота. Валин присутствует во многих белках, но обычно содержание его не­велико:

Н₃С NH₂

\ |

СН—СН—СООН

/

Н₃С

Лейцин, или α-аминоизокапроновая кислота и и золейцин α-амино-β-метил-валериановая кислота. В организме не синте­зируются.

Норлейцин или α-аминокапроновая кислота. В белках обнаружен в незначительных количествах.

СООН | H2N—СН | СН2 | СН / \ Н3С СН3	СООН | H2N—СН | СН / \ Н3С С Н2 | СН3	СООН | H2N—СН | СН2 | СН2 | СН2 | СН3
Лейцин	Изолейцин	Норлейцин

Моноаминодикарбоновые кислоты. АК этой группы содержат 1 аминогруппу и 2 карбоксильные.

Аспарагиновая кислота, или аминоянтарная кислота:

N H₂

|

НООС—С Н₂—СН—СООН

Выделена в 1868 г. в виде амида из спаржи.

Глутаминовая кислота, или α-аминоглутаровая кислота:

N H₂

|

НООС—С Н₂—С Н₂—СН—СООН

Выделена в 1869 г. из гидролизатов белков пшеничного зерна. Вхо­дит в состав белков и других соединений. Является предшественником в синтезе глутатиона. Играет исключительно важную роль в процессах переаминирования АК и обезвреживания аммиака. Синтези­руется в организме и образуется при гидролизе белков. В состав белков входят производные аспарагиновой и глутаминовой кислот – амиды аспарагин и глутамин:

N H2 N H2 | | О=С—С Н2—СН—СООН	N H2 N H2 | | О=С—С Н2—С Н2—СН—СООН
Аспарагин	Глутамин

Диаминомонокарбоновые кислоты. Содержат 2 амино- и 1 карбоксильную группу.

Лизин. Незаменимая АК гистонов, протаминов, белков рибосом.

N H₂

|

H₂N —С Н₂—С Н₂—С Н₂—С Н₂—СН—СООН

Оксилизин, или α-диамино-δ-оксикапроновая кислота, производное лизина:

N H₂

|

H₂N —С Н₂—С Н₂—С Н₂—С Н₂—СН—СООН

|

ОН

Аргинин, или α-амино-δ-гуанидинвалериановая кислота вхо­дит в растительные белки, особенно белков хроматина (гистонов и протаминов). Незаменимая АК.

СООН | H2N—СН | СН2 | СН2 | СН2 | NH | C=NH | NH2	СООН | H2N—СН | СН2 | СН2 | СН2 | NH | C=NH | NH—РО3Н2
Аргинин	Аргининфосфорная кислота

Орнитин, или α-, δ-диаминовалериановая кислота:

NH₂

|

NH₂— СН₂— СН₂— СН₂— СН— СООН

В составе белков находится в незначительных количествах.

Цитруллин или α-амино-δ-уреидовалериановая кислота: В белках не обнаружен.

NH₂

|

NH₂— СО— NH— (СН₂)₃— СН— СООН

Диаминокарбоновые кислоты содержат по 2 амино- и по 2 карбоксильные группы.

Цистин или β,β'-дитио-α,α'-аминокротоновая кислота:

СООН СООН

| |

H₂N —С Н H₂N—С Н

| |

С Н₂ —S—S —С Н₂

Играет важную роль в формировании и поддержании нативной структуры белков, а также в окислительно-восстановительных реакциях. Образуется при распаде белков и мета­болизме аминокислот серина и метионина, а также при конденсации двух молекул цистеина.

Циклические аминокислоты. Среди этих АК имеются производные гомо- и гетероциклических соединений.

Гомоциклические аминокислоты.

Фенилаланин, или α-амино-β-фенилпропионовая кислота. Незаме­нимая АК. Является предшественником биосинтеза гормо­нов: адреналина, норадреналина, тироксина и др.

Тирозин, или α-амино-парагидроксифенилпропионовая кисло­та. Незаменимая АК при отсутствии фенилаланина в пище.

Гетероциклические аминокислоты.

Триптофан, или α-амино-β-индолилпропионовая кислота. Относится к ге­тероциклическим АК, так как пиррольное ядро триптофана содержит гетероатом азота. При декарбоксилировании превращается в биологически активное соединение триптамин, вызывающее повышение кровяного давления. Н езаменимая АК.

Гистидин, или α-амино-β-имидазолилпропионовая кислота. Остаток гистидина частично вхо­дит в состав активных центров ферментов РНК-азы, химотрипсина, транскетолазы и др. При декарбоксилировании гистидина образуется биологически активный амин – гистамин, медиатор парасимпатиче­ской нервной системы:

Пролин, или пирролидин-2-карбоновая кислота. Иминокислота, т.к. нет NH-группы в главной цепи, т.е. у него в двое меньше возможности завязывать водородные связи, на которых держится вторичная структура белка. Богаты пролином проламины (до 10-15 %). Производным пролина является гидроксипролин.

Гидроксипролин, или 4-гидроксипирролидин-2-карбоновая кислота. Имино­кислота. Пролин и гидроксипролин играют важную роль в формирова­нии нативной структуры белка.

В растениях обнаружено большое количество аминокислот (свы­ше 250), не входящих в состав белков, а содержащихся только в свободном состоянии или в составе коротких пептидов. Эти непротеиногенные АК присутствуют пептидах в небольших количествах и обычно характерны для небольшой группы рас­тений (семейство, род).

АК являются мономерными структурными единицами белковой молекулы из которых сложена полипептидная цепь. АК могут находиться в двух стерических формах: L- и D-. Эти формы зеркально симметричны. В них массивный боковой радикал R и Н-атом, стоящие при α-углероде меняются местами. Этих форм нет только у глицина, боковая цепь которого состоит из Н-атома. Боковые цепи сложены из остатков L- аминокислот, только они кодируются генами. D-остатки не кодируются при матричном синтезе белка, а синтезируются специальными ферментами. Рецемизация (переход L- в D-) при биосинтезе, а также спонтанно в белках практически не происходит, но часто встречается при химическом синтезе пептидов.

Белковая молекула характеризуется наличием прочных ковалентных и относительно слабых нековалентных связей. Такое сочетание ковалентных и нековалентных связей обеспечивает белковой молекуле определенную прочность и динамичность в процессе функ­ционирования (рис.1).

а – электроста­тическое взаимодействие; б – водородные связи; в – взаимодействие неполярных боковых цепей, вызванное выталкиванием гидрофобных радикалов в «сухую» зону молекулами растворителя; г – дисульфидные связи (двойная изогнутая линия обозначает хребет полипептид­ной связи).

Рисунок 1 – Типы связей в белковой молекуле (по Филипповичу).

Ковалентные связи в молекуле белка могут быть двух типов – пеп­тидные и дисульфидные. АК в белковой цепи связаны между собой пептидными связями С и N атомов. Пептидная, или кислотноамидная связь (—СО—NH—), является типичной ковалентной связью. Пептид­ная связь возникает при взаимодействии карбоксильной группы одной АК и аминогруппы другой. Свободные амино- и карбоксильные группы образованного дипептида способны вновь вступать в реакцию поликонденсации с новыми молекулами АК, с образованием высокомолекулярного соединения. Таким образом, с помощью пептидной связи аминокислотные остатки соединяются друг с другом, образуя регулярный остов белковой молекулы, от которого отходят разнообразные боковые группы (R₁ …R_М). Число звеньев боковой цепи (М) кодируется геном и составляет от нескольких десятков до многих тысяч. В процес­се биосинтеза белка происходит соединение остатков отдельных амино­кислот друг с другом в линейную последовательность:

—NH—CH—CO—NH—CH—CO— …—NH—CH—CO—

| | |

R₁ R₂ R_М

Соединения, которые об­разуются в результате кон­денсации нескольких АК, получили название пептидов (ди-, три-, тетрапептиды и т. д.). В состав пептидов могут входить не только протеиногенные, но и непротеиногенные АК. Пептиды играют важную роль промежуточных продуктов в обмене веществ, и многие из них яв­ляются физиологически очень активными соеди­нениями. Пептидами являются некоторые антибио­тики (грамицидин, лихениформин), гормоны (ин­сулин, окситацин, вазопрессин), токсины (аманитины). Пептиды могут представлять собой замкнутую полипептидную цепочку, т. е. являться циклопептидами, а некоторые даже имеют би­циклическое строение. Среди циклопептидов есть сильно токсичные вещества (ядовитый гриб бледная по­ганка (Amanita phalloides).

Названия пептидов определяются наименованиями входящих в его состав АК, перечисляемых последовательно, начиная с N-конца, причем суффикс -ин- в названиях всех АК, за исклю­чением С-концевой, имеющей свободную СООН-группу (карбоксильную), заменяется на суффикс -ил. Например, если в образовании три пептида принимают участие две молекулы аланина и одна молекула глицина, трипептид называют аланилаланилглицином или алаалагли. Сокращенно амино­кислоты обозначают трехбуквенными символами (таблица 1).

Таблица 1 – Сокращенные обозначения аминокислот

Аминокислота	Сокращенное обозначение	Аминокислота	Сокращенное обозначение
Аланин	Ала	Лейцин	Лей
Аргинин	Арг	Лизин	Лиз
Аспарагин	Асн	Метионин	Мет
Аспарагиновая к-та	Асп	Фенилаланин	Фен
Цистеин	Цис	Пролин	Про
Глутамин	Глн	Серии	Сер
Глутаминовая к-та	Глу	Треонин	Тре
Глицин	Гли	Триптофан	Три
Гистидин	Гис	Тирозин	Тир
Изолейцин	Иле	Валин	Вал

Важную роль в стабилизации пространственной структуры белковой молекулы играют ковалентные дисульфидные связи(—S—S—), которые образуются в результате окис­ления сульфгидрильных групп остатков цистеина. Дисульфидные связи могут образовываться между остатками цис­теина двух полипептидных цепей или двумя остатками цистеина одной полипептидной цепи, стабилизируя при этом определенную конформацию белковой молекулы. В стабилизации конформации белковой молекулы существенную роль играют нековалентные связи и взаимодействия. К ним относятся гидрофобные, электростатические, ионные взаимодействия, а также водородные связи. Они поддерживают пространственное строение белка значительно слабее химических связей, фиксирующих последовательность мономеров (АК) в белковой цепи.

Гидрофобное взаимодействие возникает при сбли­жении гидрофобных углеводородных и ароматических радикалов не­которых аминокислот (аланина, валина, лейцина, изолейцина, фенилаланина и триптофана). Процесс гидрофобного взаимодействия можно представить как перемещение неполярных групп полипептидной цепи (метильной —СН₃, этильной —С₂Н₅, фенильной —С₆Н₆) из воды в гидрофобные области, образуемые за счет ассоциации этих групп. Вследствие такого перемещения неполярные группы сказываются в непосредственной близости друг от друга во внутренней части молеку­лы, а гидрофильные группы размещаются на поверхности и контакти­руют с водой.

Водородные связи образуются между атомами водорода, ковалентно соединенными с атомом, содержащим неподеленную электронную пару, или другим электроотрицательным атомом. В биологических структурах водородная связь чаще всего обра­зуется за счет атома водорода, связанного с кислородом или азотом. Водородные связи могут быть внутри- и межцепочечными. Внутрицепочечные водородные связи стабилизи­руют α-спиральные, а межцепочечные – β-складчатые структуры.

Ионные (солевые) связи. Они, предположительно, образуются между диссоциированными свободными карбоксильными группами (СОО^—) моноаминодикарбоновых аминокислот (глутаминовой и аспарагиновой) и протонированными свободными аминогруппами (NH₃⁺) диамино-монокарбоновых аминокислот. Ионные связи могут быть внутри- и межцепочечными.

Уровни структурной организации молекулы белка. Функциональ­ные свойства белков определяются последовательностью АК и их пространст­венной структурой. С этой точки зрения выделяют четыре уровня: первичная, вторичная, третичная и четвертичная структуры.

Под первичной структурой понимают качественный и количественный состав АК, а также их последовательность расположения в полипептидных цепях белковой молекулы. Молекула белка может иметь одну или несколько полипептидных цепей. Например, молекула фермента рибонуклеазы представляет одну поли­пептидную цепь, имеющую восемь остатков цистеина, образующих четыре внутримолеку­лярные дисульфидные связи. Гормон инсулин состоит из двух поли­пептидных цепей, связанных дисульфидными мостиками между остат­ками цистеина.