Многообразие белков
В любом живом организме содержатся тысячи белков, выполняющих разнообразные функции. У человека более 50000 индивидуальных белков. Эволюция отобрала те варианты структур, которые способны поддерживать единственную конфигурацию активного центра, а это, в свою очередь, возможно только в том случае, если нативное состояние белка характеризуется единственной стабильной конформацией. Белки различаются первичной структурой, конформацией, которая полностью зависит от аминокислотной последовательности пептидной цепи, и функциями. Белок имеет индивидуальную форму (глобулярную, фибриллярную), массу, продолжительность жизни в клетке; некоторые белки могут содержать небелковую часть. Характерна для белков их локализация в организме (мышцы, кровь, печень и т. д.) и в клетке (ядро, цитоплазма и т. д.). Каждый из этих признаков может быть основой классификации белков. Схожесть первичной структуры у родственных по функциям белков позволяет объединить их в семейства белков. Глобулярные и фибриллярные белки
Традиционной является классификация по форме белка, делящая белки на две группы - глобулярные и фибриллярные.
Глобулярным белкам свойственна почти сферическая (глобулярная) форма, они отличаются высокоупорядоченной конформацией и обычно несут в клетке динамические функции. Как правило, внутрь глобулы собраны гидрофобные радикалы, образующие гидрофобное ядро, а на поверхности экспонированы гидрофильные остатки, обеспечивающие хорошую растворимость глобулярных белков. К глобулярным белкам относятся почти все ферменты, антитела, некоторые гормоны (инсулин) и многие транспортные белки.
Фибриллярные белки характеризуются вытянутой нитевидной структурой, они устойчивы, нерастворимы в воде и разбавленных солевых растворах. Эти белки - основные структурные элементы соединительной ткани.
Белки альфа-кератиновой структуры состоят из длинных полипептидных цепей с крупными альфа-спиральными доменами в центральной части и содержат повторяющиеся последовательности (гептапептиды). Две цепи кератина образуют суперспираль, в которой неполярные радикалы обращены внутрь структуры. Суперспираль стабилизирована дисульфидными связями соседних цепей. Суперспиральные димеры формируют тетрамеры, подобные многожильному кабелю.
альфа-Кератины входят в состав соединительной и костной ткани, сухожилий, межклеточного матрикса (коллагены), свертывающей системы крови (фибрин), из них построены ногти и волосы (альфа-кератин).
Белки бэта-кератиновой структуры - фиброин шелка и паутины, обладают структурой антипараллельного складчатого листа, причем сами складки располагаются параллельно друг другу, образуя многочисленные листы.
Эластин - основной белок эластических волокон, содержащихся в межклеточном веществе кожи, стенок кровеносных сосудов, связок, легких, т. е. тканей, которые без потери эластичности растягиваются в несколько раз по сравнению с исходной длиной.
Простые и сложные белки
По своему составу белки разделяются на два основных класса.
Простые белки содержат в своем составе только полипептидные цепи. При гидролизе они дают только аминокислоты и не образуют никаких других органических или неорганических продуктов (альбумины, глобулины обладают кислым характером); протамины, гистоны (обладают основным характером).
Сложные белки (холопротеины) состоят из белковой части (апопротеина) и небелковой части (простетическая группа). Простетическая группа - ионы металлов или органическая молекула, присоединяется к белку слабыми или ковалентными связями.
Исходя из химической природы простетической группы, сложные белки можно разделить на классы:
Гемопротеины: Гемоглобин, Миоглобин, Цитохром С (Гем); Флавопротеины: Сукцинатдегидрогеназа (Флавиннуклеотид); Родопсины (11цис-ретиналь); Нуклеопротеины: Рибосомы (РНК), Хромосомы (ДНК); Фосфопротеины: Казеин молока (фосфатная группа); Гликопротеины: гамма-глобулин, рецепторные белки клеточных мембран (Углеводные остатки); Липопротеины: бэта-липопротеины плазмы (Фосфолипиды, Холестерин, Нейтральный липиды); Металлпротеины: Ферритин (Fe3+ в форме гидроксидфосфата), тирозиноксидаза (Cu).
Представления о структуре фибриллярных белков
Структура фибриллярных белков обладает особенным свойством - в формировании их пространственной структуры участвуют, кроме слабых связей, ковалентные непептидные связи, тогда как в глобулярных белках основной вклад, стабилизирующий конформацию молекулы, вносят слабые взаимодействия. К фибриллярным белкам относятся коллагены, альфа-кератин и эластин.
Самыми распространенными белками организма являются коллагены - семейство родственных фибриллярных белков, секретируемых клетками соединительной ткани и образующих во внеклеточном матриксе полимеры - фибриллы коллагена.
Строение коллагена имеет ряд особенностей.
1. Одну третью часть аминокислотного состава представляет глицин (вместо радикала он имеет атом водорода, поэтому всегда находится в месте пересечения цепей, обеспечивая плотное прилегание цепей друг к другу), одну десятую -пролин, а также гидроксипролин и гидроксилизин.
2. В первичной структуре коллагена постоянно повторяется триплет Гли-X-Y, где X - чаще всего пролин, a Y - гидроксипролин или гидроксилизин;
3. Последние две аминокислоты влючаются в белок не в ходе матричного синтеза, а образуются путем посттрансляционной модификации из имеющихся в пептиде аминокислотных остатков.
4. Аскорбиновая кислота используется как кофактор фермента пролил-гидроксилазы, и при ее недостатке нарушается образование коллагена соединительной ткани, что приводит к развитию заболевания - цинги.
Пролин не образует водородные связи, но стабилизирует левую спираль коллагена, во первых, вызывая изгибы в полипептидной цепи и, во вторых, за счет сил стерического отталкивания пирролидиновых колец. В коллагеновой спирали (это третий тип периодической структуры полипептидной цепи, ранее были описаны альфа-спираль и бэта-складчатый слой) расстояние между аминокислотными остатками по оси спирали увеличивается, и она становится более развернутой по сравнению с альфа-спиралью.
Три первичные левые спирали образуют правозакрученную тройную суперспиральную молекулу - тропоколлаген. Стабилизируют эту структуру водородные связи, образующиеся между амино- и карбоксильными группами пептидных остовов цепей, которые формируют тройную суперспираль.
Определенные комплементарные участки тропоколлагена образуют ионные, водородные и гидрофобные связи с такими же молекулами, формируя коллагеновые фибриллы. Поперечные сшивки коллагеновых фибрилл образованы между двумя остатками лизина.
Возникает уникальная структура, обладающая большой механической прочностью: - коллагеновые фибриллы выдерживают нагрузку, в 10000 превышающую их вес, они прочнее стальной проволоки такого же сечения.
Структура коллагенов, обусловленная их первичной аминокислотной последовательностью, соответствует их биологической функции - коллагеновые волокна, входящие в состав коллагеновых фибрилл, являются основным белковым компонентом кожи, сухожилий, хрящей и костей. В разных тканях преобладают разные типы коллагенов. Обладая огромной прочностью, они лишены эластичности.
Другой глобулярный белок - эластин, в отличие от коллагена, эластичен и обладает упругостью большей, чем у резины. Полипептидные цепи, содержащие большое количество аминокислот с гидрофобными радикалами и не формирующие регулярную вторичную и третичную структуру, образуют поперечносшитую сеть. Стабилизируется сеть уникальными ковалентными связями четырех радикалов лизина, формирующих десмозиновую сшивку.
