мех. Кптлпклми п д вс кожн нли меха значительная часть исходного сырья переходит в отхол
 Скачать 0.66 Mb.
|
|
Образование поперечных связей между молекулами Коллаген коллагена 4 Рисунок 3 — Фрагмент строения коллагеновой фибриллы Важную роль в формировании коллагеновых фибрилл играют модифицированные аминокислоты: гидроксипролин и гидроксилизин. Гидроксильные группы гидроксипролина соседних цепей тропоколлагена образуют водородные связи, укрепляющие структуру коллагеновых фибрилл. Радикалы лизина и гидроксилизина необходимы для образования прочных поперечных сшивок между молекулами тропоколлагена, еще сильнее укрепляющие структуру коллагеновых фибрилл. Кроме того, к гидроксильной группе гидроксилизина могут присоединяться углеводные остатки (гликозилирование коллагена) [18]. Вторичная структура представляет собой способ укладки полипептидной цепи в упорядоченную структуру благодаря образованию водородных связей между пептидными группами одной цепи или смежными полипептидными цепями. По конфигурации вторичные структуры делятся на спиральные (а-спираль) и слоисто-складчатые (^-структура и кросс-(3-форма). а-Спираль. Это разновидность вторичной структуры белка, имеющая вид регулярной спирали, образующейся благодаря межпептидным водородным связям в пределах одной полипептидной цепи. Модель строения а-спирали (рис. 4), учитывающая все свойства пептидной связи, была предложена Полингом и Кори. Основные особенности а-спирали: спиральная конфигурация полипептидной цепи, имеющая винтовую симметрию; образование водородных связей между пептидными группами каждого первого и четвертого аминокислотных остатков; регулярность витков спирали; равнозначность всех аминокислотных остатков в а-спирали независимо от строения их боковых радикалов; боковые радикалы аминокислот не участвуют в образовании а-спирали. Внешне а-спираль похожа на слегка растянутую спираль электрической плитки. Регулярность водородных связей между первой и четвертой пептидными группами определяет и регулярность витков полипептидной цепи. Высота одного витка, или шаг а-спирали, равна 0,54 нм; в него р-ОА «!Уа1г . литныи остаток. -«ей»*»* и *- оси ри (высота одного аминокислотного остатка) на 0,15 нм (0,54:3,6 = 0,15 нм), что и позвол ворить о равнозначности всех аминокислотных остатков в а-спирали. Период регулярное^ Г°' спирали равен 5 виткам или 18 аминокислотным остаткам; длина одного периода сост* ^ 3,6 остатка } 16 остат ко» Рисунок 4 - Модель а-спирали Полинга - Кори р-Структура, Это разновидность вторичной структуры, которая имеет слабо изогнутую конфигурацию полипептидной цепи и формируется с помощью межпептидных водородных связей в пределах отдельных участков одной полипептидной цепи или смежных полипептидных цепей. Ее называют также слоисто-складчатой структурой. Имеются разновидности р-структур. Ограниченные слоистые участки, образуемые одной полипептидной цепью бежа, называют кросс-Р- формой (короткая р-структура). Водородные связи в кросс-р-форме образуются между пептидными группами петель полипептидной цепи. Другой тип - полная р-структура - характерен для всей полипептидной цепочки, которая имеет вытянутую форму и удерживается межпептидными водородными связями между смежными параллельными полипептидными цепями (рис. 5). Эта структура напоминает меха аккордеона. Причем возможны варианты р-структур: они могут быть образованы параллельными цепями (Ы-концы полипептидных цепей направлены в одну и ту же сторону) и антипараллельными (14-концы направлены в разные стороны). Боковые радикалы одного слоя помещаются между боковыми радикалами другого слоя. Рисунок 5 - Схематичное изображение р-структур: а - параллельные цепи; б - антипараллельные цепи В белках возможны переходы от а-структур к р-структурам и обратно вследствие перестройки водородных связей. Вместо регулярных межпептидных водородных связей вдоль цепи (благодаря им полипептидная цепь скручивается в спираль) происходит раскручивание спирали- зованных участков и замыкание водородных связей между вытянутыми фрагментами полипеп- щдиых, цепей. Такой переход обнаружен в кератине - белке волос. При мытье волос щелочными моющими средствами легко разрушается спиральная структура (3-кератина и он переходит в 01- кератин (вьющиеся волосы распрямляются). Разрушение регулярных вторичных структур белков (а-спирали и (3-структур) по аналогии с плавлением кристалла называют «плавлением» полипептидов. При этом водородные связи рвутся, и полипептидные цепи принимают форму беспорядочного клубка. Следовательно, стабильность вторичных структур определяется межпептидными водородными связями. Остальные типы связей почти не принимают в этом участия, за исключением дисульфидных связей вдоль полипептидной цепи в местах расположения остатков цистеина. Короткие пептиды благодаря дисульфидным связям замыкаются в циклы. Во многих белках одновременно имеются а-спиральные участки и (3- структуры. Природных белков, состоящих на 100% из а-спирали, почти не бывает (исключение составляет парамиозин - мышечный белок, на 96-100% представляющий собой а-спираль), тогда как у синтетических полипептидов 100%-ная спирализация. Другие белки имеют неодинаковую степень спирализации. Высокая частота а-спиральных структур наблюдается у парамиозина, миоглобина, гемоглобина. Напротив, у трипсина, рибону- клеазы значительная часть полипептидной цепи укладывается в слоистые Р-структуры. Белки опорных тканей: кератин (белок волос, шерсти), коллаген (белок сухожилий, кожи), фиброин (белок натурального шелка) имеют Р-конфигурацию полипептидных цепей. Разная степень спирализации полипептидных цепей белков говорит о том, что, очевидно, имеются силы, частично нарушающие спирализацию или «ломающие» регулярную укладку полипептидной цепи. Причиной этого является более компактная укладка полипептидной цепи белка в определенном объеме, т.е. в третичную структуру. Третичной структурой белка называется способ укладки полипептидной цепи в пространстве. По форме третичной структуры белки делятся в основном на глобулярные и фибриллярные. Глобулярные белки чаще всего имеют эллипсовидную форму, а фибриллярные (нитевидные) белки - вытянутую (форма палочки, веретена). Однако конфигурация третичной структуры белков еще не дает основания думать, что фибриллярные белки имеют только (3-структуру, а глобулярные а-спиральные. Есть фибриллярные белки, имеющие спиральную, а не слоисто-складчатую вторичную структуру. Например, а- кератин и парамиозин (белок запирательной мышцы моллюсков), тропомиозины (белки скелетных мышц) относятся к фибриллярным белкам (имеют палочковидную форму), а вторичная структура у них — а-спираль; напротив, в глобулярных белках может быть большое количество (3-структур. Спирализация линейной полипептидной цепи уменьшает ее размеры примерно в 4 раза; а укладка в третичную структуру делает ее в десятки раз более компактной, чем исходная цепь. В стабилизации третичной структуры играют роль связи между боковыми радикалами аминокислот. Эти связи можно разделить на: сильные (ковалентные); слабые (полярные и ван-дер-ваальсовы). К ковалентным связям относятся дисульфидные связи (-8-8-) между боковыми радикалами цистеинов, находящихся в разных участках полипептидной цепи; изопептидные или псевдопеп- тидные — между аминогруппами боковых радикалов лизина, аргинина, а не а-аминогруппами, и СООН-группами боковых радикалов аспарагиновой, глутаминовой и аминолимонной кислот, а не а-карбоксильными группами аминокислот. Отсюда и название этого типа связи - подобная пептидной. Редко встречается эфирная связь, образуемая СООН - группой дикарбоновых кислот (аспарагиновой, глутаминовой) и ОН-группой гидроксиаминокислот (серина, треонина). К полярным связям относятся водородные и ионные. Водородные связи, как обычно, возникают между группой -N112; -ОН или —8Н бокового радикала одной аминокислоты и карбоксильной группой другой. Ионные, или электростатические, связи образуются при контакте заряженных групп боковых радикалов -]ЧН+з (лизина, аргинина, гистидина) и -СОО‘ (аспарагиновой и глутаминовой кислот). Неполярные, или Ван-дер-ваальсовые, связи образуются между углеводородными радикалами аминокислот. Гидрофобные радикалы аминокислот аланина, валина, изолейцина, метионина, фенилаланина в водной среде взаимодействуют друг с другом. Слабые ван-дер-ваальсовые связи способствуют формированию гидрофобного ядра из неполярных радикалов белковой глобулы. Чем больше неполярных аминокислот, тем большую роль в укладке полипептидной цепи играют ван-дер-ваальсовые связи. Многониелейные. связи м.сжду-„боковыми .радикалами аминокислот определяют пространственную конфигурацию белковой молекулы. туры ИОСШИСШИДНОЙ цепи ШТродгашИСЯ СПШ1ЫБШЧИ «улиоот |/адылд.*1ШЗ ВЛиджЦИХ 9 кислот (которые не оказывают заметного влияния на формирование первичной и вторичной структур) и микроокружением, т.е. средой. При укладке поли пептидная цепь белка стремите* принять энергетически выгодную форму, характеризующуюся минимумом свободной энергии Поэтому неполярные Я-группы, «избегая» воды, образуют как бы внутреннюю часть третичной структуры белка, где расположена основная часть гидрофобных остатков полипептиды ой цепи. В центре белковой глобулы почти нет молекул воды. Полярные (гидрофильные) Я-группы амино- кислоты располагаются снаружи этого гидрофобного ядра и окружены молекулами воды. Поли- пептидная цепь причудливо изгибается в трехмерном пространстве. При ее изгибах нарушается вторичная спиральная конформация. «Ломается» цепь в слабых точках, где находятся пролин или гндроксипролин, поскольку эти аминокислоты более подвижны в цепи, образуя только одну водо- родную связь с другими пептидными группами. Другим местом изгиба является глицин, Я-группа которого мала (водород). Поэтому Я-группы других аминокислот при укладке стремятся занять свободное пространство в месте нахождения глицина. Ряд аминокислот - аланин, лейцин, глута- мат, гистидин - способствуют сохранению устойчивых спиральных структур в белке, а такие, как метионин, валин, нзолейцин. аспарагиновая кислота, благоприятствуют образованию Р-структур. В молекуле белка с третичной конфигурацией встречаются участки в виде а-спиралей (спирализо- ванные), (^-структур (слоистые) и беспорядочного клубка. Только правильная пространственная укладка белка делает его активным; нарушение ее приводит к изменению свойств белка и потере биологической активности. Белки, состоящие из одной полипептндной цепи, имеют только третичную структуру. К ним относятся миоглобин - белок мышечной ткани, участвующий в связывании кислорода, ряд фер- ментов (лизоцим, пепсин, трипсин и т.д.). Однако некоторые белки построены из нескольких по- липептидных цепей, каждая из которых имеет третичную структуру. Для таких белков введено понятие четвертичной структуры, которая представляет собой организацию нескольких полипеп- тидных цепей с третичной структурой в единую функциональную молекулу белка. Такой белок с четвертичной структурой называется олигомером, а его полипептидные цепи с третичной струк- турой - протомерами или субъединицами (рис. 6). При четвертичном уровне организации белки сохраняют основную конфигурацию третичной структуры (глобулярную или фибриллярную). Например, гемоглобин - белок, имеющий четвертичную структуру, состоит из четырех субъединиц. Каждая из субъединиц - глобулярный белок и в целом гемоглобин тоже имеет глобулярную конфигурацию. Белки волос и шерсти - кера- тань*, относящиеся по третичной структуре к фибриллярным белкам, имеют фибриллярную конформацию и четвертичную структуру. Стабилизация четвертичной структуры белков. Все белки, у которых обнаружена четвертичная структура, выделены в виде индивидуальных макромолекул, не распадающихся на субъединицы. Контакты между поверхностями субъединиц возможны только за счет полярных групп аминокислотных остатков, поскольку при формировании третичной структуры каждой из полияептидных цепей боковые радикалы неполярных аминокислот (составляющих большую часть всех протеиногенных аминокислот) спрятаны внутри субъединицы. Между их полярными группам* образуются многочисленные ионные (солевые), водородные, а в некоторых случаях и дя- ульфидные связи, которые прочно удерживают субъединицы в виде организованного комплекса. Рисунок 6 - Схема третичной (а) и четвертичной (б) структур белка
Структурная организация фибриллярных белков имеет ряд особенностей по сравнению с глобулярными белками. Эти особенности можно проследить на примере кератина, фиброина и коллагена. Ке* *ы существуют в а- и Р-конформациях. а-кератины и фиброин имеют слоистоскладчатую в. зую структуру, однако в кератине цепи параллельны, а в фиброине антипарал- лельны (см. ри... 5); кроме того, в кератине имеются межцепочечные дисульфидные связи, а у фиброина они отсутствуют. Разрыв дисульфидных связей приводит к разъединению полипептид- ных цепей в кератинах. Напротив, образование максимального числа дисульфидных связей в кератинах путем воздействия окислителей создает прочную пространственную структуру. Вообще у фибриллярных белков в отличие от глобулярных порой трудно строго разграничить разные уровни организации. Если принять (как для глобулярного белка), что третичная структура должна образовываться путем укладки в пространстве одной полипептидной цепи, а четвертичная — нескольких цепей, то в фибриллярных белках уже при формировании вторичной структуры участвует несколько полипептидных цепей. Типичным примером фибриллярного белка является коллаген, который относится к самым распространенным белкам организма человека (около 1/3 от массы всех белков). Он содержится в тканях, обладающих высокой прочностью и малой растяжимостью (кости, сухожилия, кожа, зубы и т.д.). В коллагене треть аминокислотных остатков приходится на глицин, а около четверти или чуть более — на пролин или гидроксипролин. Изолированная полипептидная цепь коллагена (первичная структура) похожа на ломаную линию. Она содержит около 1000 аминокислот и имеет молекулярную массу порядка 105 (рис. 7 а, б). Полипептидная цепь построена из повторяющейся тройки аминокислот (триплет) следующего состава: гли-А-В, где А и В — любые, кроме глицина, аминокислоты (чаше всего пролин и гидроксипролин). Полипептидные цепи коллагена (или а-цепи) при формировании вторич- Гг ;; **»•' .-.к.’ «-.и _ V ^ ! к? \ь.< \> .я *»э ас. . -V»- симметрию. Этому мешают пролин, гидрокси-Пронин шлицам (дотспиральные аминокислоты). : Ч^’<\ «ТМ1 а ^ (рм, . V о-«ГСПи формнрх к>г повторяющеюся структуру коллагена, которая н*1 ^ |