БЕЛКИ́

  • рубрика

    Рубрика: Биология

  • родственные статьи
  • image description

    В книжной версии

    Том 3, 2005, стр. 211-215

Авторы: В. М. Липкин, Т. М. Шуваева

БЕЛКИ́ (про­теи­ны), вы­со­ко­мо­ле­ку­ляр­ные при­род­ные по­ли­ме­ры, по­стро­ен­ные из ос­тат­ков $\ce{L-α}$-ами­но­кис­лот (см. Ами­но­кис­ло­ты), со­еди­нён­ных амид­ной (пеп­тид­ной) свя­зью $\ce{–CO–NH–}$. Пер­вый ами­но­кис­лот­ный ос­та­ток по­ли­мер­ной це­пи Б. на­зы­ва­ет­ся $\ce{N}$-кон­це­вым, по­след­ний  $\ce{C}$-кон­це­вым. Ка­ж­дый Б. ха­рак­те­ри­зу­ет­ся спе­ци­фич. ами­но­кис­лот­ной по­сле­до­ва­тель­но­стью и ин­ди­ви­ду­аль­ной про­стран­ствен­ной струк­ту­рой (кон­фор­ма­ци­ей). Б. иг­ра­ют пер­во­сте­пен­ную роль в жиз­не­дея­тель­но­сти всех ор­га­низ­мов. На их до­лю при­хо­дит­ся не ме­нее 50% су­хой мас­сы ор­га­нич. со­еди­не­ний жи­вот­ной клет­ки и бо­лее 40% в клет­ках рас­те­ний (са­мое вы­со­кое со­дер­жа­ние Б. в се­ме­нах). Пред­по­ла­га­ет­ся, что в при­ро­де суще­ст­ву­ет неск. мил­ли­ар­дов разл. Б. Толь­ко в бак­те­рии Escherichia coli на­счи­ты­ва­ют бо­лее 3000 Б. В со­ста­ве ге­но­ма че­ло­ве­ка иден­ти­фи­ци­ро­ва­но ок. 29 тыс. ко­ди­рую­щих бел­ки ге­нов (по­ка у че­ло­ве­ка опи­са­но 1278 Б.). В жи­вых ор­га­низ­мах Б. об­ра­зу­ют­ся в хо­де транс­ля­ции на ри­бо­со­мах.

Исторический очерк

На­зва­ние «Б.» впер­вые бы­ло да­но ве­ще­ст­ву птичь­их яиц, свёр­ты­ваю­ще­му­ся при на­гре­ва­нии в бе­лую не­рас­тво­ри­мую мас­су. Пер­вые ра­бо­ты по вы­де­ле­нию и изу­че­нию бел­ко­вых ве­ществ бы­ли вы­пол­не­ны в 18 в. Од­на­ко они но­си­ли опи­са­тель­ный ха­рак­тер. В 19 в. Ж. Гей-Люс­сак и Л. Те­нар пер­вы­ми осу­ще­ст­ви­ли ана­ли­тич. ис­сле­до­ва­ния ря­да Б. и ус­та­но­ви­ли, что бел­ко­вые ве­ще­ст­ва сход­ны как по внеш­ним при­зна­кам и свой­ст­вам, так и по эле­мент­но­му со­ста­ву. Важ­ным со­бы­ти­ем в изу­че­нии Б. яви­лось вы­де­ле­ние из бел­ко­во­го гид­ро­ли­за­та ами­но­кис­ло­ты гли­ци­на (франц. хи­мик А. Бра­кон­но, 1820). Пер­вая кон­цеп­ция строе­ния Б. (тео­рия про­теи­на) при­над­ле­жит голландскому хи­ми­ку Г. Муль­де­ру (1836). Он сфор­му­ли­ро­вал по­ня­тие о ми­ни­маль­ной струк­тур­ной еди­ни­це – про­теи­не, при­сут­ствую­щей во всех Б., ко­то­рой при­пи­сал сле­дую­щий со­став: $\ce{2C_8H_{12}N_2+5O}$. Позд­нее эта струк­ту­ра бы­ла уточ­не­на ($\ce{C_{40}H_{62}N_{10}O_{12}}$), в со­став не­ко­то­рых Б. вклю­че­ны се­ра и фос­фор.

Эта тео­рия бы­ла по­все­ме­ст­но при­зна­на, но уже в 1846 Ю. Ли­бих и ра­бо­тав­ший у не­го в ла­бо­ра­то­рии рос. хи­мик Н. Ляс­ков­ский вы­ска­за­ли не­со­гла­сие с оп­ре­де­лён­ны­ми её по­ло­же­ния­ми, а спус­тя не­ко­то­рое вре­мя она ос­та­лась в про­шлом. Не­смот­ря на это, тру­ды Г. Муль­де­ра при­влек­ли боль­шое вни­ма­ние к ана­ли­тич. ис­сле­до­ва­ни­ям Б., со­вер­шен­ст­во­ва­нию пре­па­ра­тив­ных ме­то­дов бел­ко­вой хи­мии, сде­ла­ли Б. гл. объ­ек­том раз­ви­ваю­щей­ся хи­мии при­род­ных со­еди­не­ний. По­сте­пен­но фор­ми­ру­ет­ся пред­став­ле­ние о функ­ци­ях Б. в жи­вых ор­га­низ­мах. В 1835 Й. Я. Бер­це­ли­ус пред­по­ло­жил, что Б. иг­ра­ют роль био­ка­та­ли­за­то­ров. Вско­ре бы­ли от­кры­ты про­те­о­ли­ти­че­ские фер­мен­ты – пеп­син (1836) и трип­син (1856). На фор­ми­ро­ва­ние совр. пред­став­ле­ний о струк­ту­ре Б. по­влия­ли ра­бо­ты нем. ана­то­ма и фи­зио­ло­га Г. Мейс­не­ра по рас­ще­п­ле­нию Б. про­те­о­ли­ти­че­ски­ми фер­мен­та­ми. К кон. 19 в. бы­ло изу­че­но боль­шин­ст­во ами­но­кис­лот, вхо­дя­щих в со­став Б., и в 1894 А. Кос­сель вы­дви­нул идею о том, что осн. струк­тур­ны­ми эле­мен­та­ми Б. яв­ля­ют­ся ами­но­кис­ло­ты. В нач. 20 в. зна­чит. вклад в изу­че­ние Б. внёс Э. Фи­шер, ко­то­рый, ис­поль­зуя ме­то­ды ор­га­нич. хи­мии, до­ка­зал, что Б. по­строе­ны из $α$-ами­но­кис­лот, свя­зан­ных амид­ной свя­зью. Он же сде­лал пер­вые ами­но­кис­лот­ные ана­ли­зы Б., дал пра­виль­ное объ­яс­не­ние про­те­о­ли­зу. В 1-й пол. 20 в. по­лу­чи­ли раз­ви­тие фи­зи­ко-хи­мич. ме­то­ды ана­ли­за Б., оп­ре­де­ле­ны мо­ле­ку­ляр­ные мас­сы мно­гих из них, по­лу­че­ны дан­ные о сфе­рич. фор­ме гло­бу­ля­рых Б. (Т. Свед­берг, 1926). Был вы­де­лен бел­ко­вый гор­мон – ин­су­лин (Ф. Бан­тинг, Ч. Г. Бест, 1922), по­лу­че­ны пер­вые кри­стал­лич. фер­мен­ты (Дж. Б. Сам­нер, 1926; Дж. Х. Нор­троп, 1929), до­ка­за­на бел­ко­вая при­ро­да ан­ти­тел (1939), раз­ра­бо­та­ны ме­то­ды хро­ма­то­гра­фич. ана­ли­за Б. (А.Мар­тин, Р.Синг, 1944). В нач. 1950-х гг. бы­ла вы­ска­за­на идея о трёх уров­нях ор­га­ни­за­ции бел­ко­вых мо­ле­кул (дат. био­хи­мик К. У. Лин­дер­ст­рём-Ланг, 1952), ко­то­рая позд­нее на­шла под­твер­жде­ние. Раз­ви­тие ана­ли­тич. ме­то­дов при­ве­ло к соз­да­нию ав­тома­тич. ами­но­кис­лот­но­го ана­ли­за­то­ра (С. Мур, У. Стайн, 1958), су­ще­ст­вен­ной мо­ди­фи­ка­ции хро­ма­то­гра­фич. ме­то­дов и со­вер­шен­ст­во­ва­нию рент­ге­но­ст­рук­тур­но­го ана­ли­за; был соз­дан се­к­ве­на­тор – при­бор для оп­ре­де­ле­ния по­сле­до­ва­тель­но­сти ами­но­кис­лот­ных ос­тат­ков в Б. (П. Эд­ман, Дж. Бегг, 1967). В эти го­ды бы­ла оп­ре­де­ле­на струк­ту­ра не­сколь­ких со­тен бел­ков. Раз­ра­бот­ка эф­фек­тив­но­го ме­то­да ана­ли­за нук­лео­тид­ной по­сле­до­ва­тель­но­сти ДНК (А. Мак­сам и У. Гил­берт, Ф. Сен­гер) су­ще­ст­вен­но об­лег­чи­ла оп­ре­де­ле­ние по­сле­до­ва­тель­но­стей ами­но­кис­лот в Б. ис­хо­дя из дан­ных о струк­ту­ре ко­ди­рую­щих их ге­нов. Это по­зво­ли­ло ус­та­нав­ли­вать струк­ту­ру Б., до­ступ­ных в ни­чтож­но ма­лых ко­ли­че­ст­вах (напр., ин­тер­фе­рон), а так­же Б., об­ла­даю­щих боль­шой мо­ле­ку­ляр­ной мас­сой (со­дер­жа­щих 700 и бо­лее ами­но­кис­лот­ных ос­тат­ков). Ус­пе­хи струк­тур­но­го ана­ли­за по­зво­ли­ли при­сту­пить к оп­ре­де­ле­нию про­странст­вен­ной ор­га­ни­за­ции и мо­ле­ку­ляр­ных ме­ха­низ­мов функ­цио­ни­ро­ва­ния над­мо­ле­ку­ляр­ных ком­плек­сов, в т. ч. ри­бо­сом и ви­ру­сов. В кон. 20 в. поя­ви­лась но­вая об­ласть ис­сле­до­ва­ния Б. – про­те­о­ми­ка, в за­да­чу ко­то­рой вхо­дит ком­плекс­ный ана­лиз со­во­куп­но­сти бел­ков отд. кле­ток, ор­га­нов и сис­тем, функ­цио­ни­рую­щих в дан­ный кон­крет­ный мо­мент вре­ме­ни в нор­ме и при па­то­ло­гии.

Биологическое значение

Б. вы­пол­ня­ют мно­го­числ. функ­ции. Об­мен ве­ществ (пи­ще­ва­ре­ние, ды­ха­ние, вы­де­ле­ние и др.) и жизнь клет­ки в це­лом не­раз­рыв­но свя­за­ны с ак­тив­но­стью фер­мен­тов – вы­со­ко­спе­ци­фи­че­ских ка­та­ли­за­то­ров био­хи­мич. ре­ак­ций, яв­ляю­щих­ся Б. За­щит­ные сис­те­мы выс­ших ор­га­низ­мов фор­ми­ру­ют­ся за­щит­ны­ми Б., к ко­то­рым от­но­сят­ся им­му­ног­ло­бу­ли­ны, Б. ком­пле­мен­та, ци­то­ки­ны им­мун­ной си­с­те­мы, Б. сис­те­мы свёр­ты­ва­ния кро­ви (в т. ч. плаз­мин, тром­бин, фиб­рин). Важ­ную груп­пу со­став­ля­ют ре­гу­ля­тор­ные Б., кон­тро­ли­рую­щие био­син­тез Б. и нук­леи­но­вых ки­слот. К их чис­лу от­но­сят­ся так­же пеп­тид­но-бел­ко­вые гор­мо­ны. Ин­фор­ма­ция о со­стоя­нии внеш­ней сре­ды, разл. ре­гу­ля­тор­ные сиг­на­лы вос­при­ни­ма­ют­ся клет­кой с по­мо­щью ре­цеп­тор­ных Б., рас­по­ла­гаю­щих­ся на на­руж­ной по­верх­но­сти плаз­ма­тич. мем­бра­ны. За пе­ре­да­чу сиг­на­лов внутрь клет­ки от­вет­ст­вен­ны Б. сиг­наль­ных сис­тем ($\ce{G}$-бел­ки, Б.-эф­фек­то­ры), ко­то­рые иг­ра­ют важ­ную роль в пе­ре­да­че нерв­но­го воз­бу­ж­де­ния и в ори­ен­ти­ро­ван­ном дви­же­нии клет­ки (хе­мо­так­сис). В ак­тив­ном транс­пор­те ио­нов, ли­пи­дов, са­ха­ров и ами­но­кис­лот че­рез био­ло­гич. мем­бра­ны уча­ст­ву­ют транс­порт­ные Б., или Б.-пе­ре­нос­чи­ки. Сре­ди них, напр., ге­мо­гло­бин и ми­ог­ло­бин, осу­ще­ст­в­ляю­щие пе­ре­нос ки­сло­ро­да. Ос­но­ву ко­ст­ной и со­еди­нит. тка­ней, шер­сти, ро­го­вых об­ра­зо­ва­ний со­став­ля­ют струк­тур­ные Б. (в т. ч. кол­ла­ген, ке­ра­тин, эла­стин). Они же фор­ми­ру­ют кле­точ­ный ске­лет и меж­кле­точ­ный мат­рикс. Рас­хо­ж­де­ние хро­мо­сом при де­ле­нии клет­ки, дви­же­ние жгу­ти­ков, ра­бо­та мышц жи­вот­ных и че­ло­ве­ка осу­ще­ст­в­ля­ют­ся по еди­но­му ме­ха­низ­му при по­сред­ст­ве Б. со­кра­ти­тель­ной сис­те­мы (ак­ти­на, мио­зи­на, тро­по­мио­зи­на, ту­бу­ли­на и др.). Б. – важ­ней­шая со­став­ная часть пи­щи че­ло­ве­ка и кор­мов жи­вот­ных. Осо­бое зна­че­ние при этом име­ют за­пас­ные Б. рас­те­ний и жи­вот­ных (напр., ка­зе­ин, про­ла­ми­ны). Пре­об­ра­зо­ва­ние и ути­ли­за­ция энер­гии, по­сту­паю­щей в ор­га­низм с пи­щей, а так­же энер­гии сол­неч­но­го из­лу­че­ния про­ис­хо­дят при уча­стии Б. био­энер­ге­ти­че­ской сис­те­мы (напр., ро­доп­си­на, ци­то­хро­мов). Сре­ди пеп­тид­но-бел­ко­вых ве­ществ име­ют­ся ан­ти­био­ти­ки (в т. ч. гра­ми­ци­ди­ны, по­ли­мик­си­ны, эн­ниа­ти­ны), ток­си­ны и др. био­ло­ги­че­ски ак­тив­ные ве­ще­ст­ва.

Классификация

Б. де­лят на про­с­тые, со­стоя­щие толь­ко из ами­но­кис­лот­ных ос­тат­ков, и слож­ные. По­след­ние мо­гут вклю­чать ио­ны ме­тал­ла (ме­тал­ло­про­теи­ны) или пиг­мен­ты (хро­мо­про­теи­ны), об­ра­зо­вы­вать проч­ные ком­плек­сы с ли­пи­да­ми (ли­по­про­теи­ны), нук­леи­но­вы­ми ки­сло­та­ми (нук­лео­про­теи­ны), а так­же ко­ва­лент­но свя­зы­вать ос­та­ток фос­фор­ной ки­сло­ты (фос­фо­про­теи­ны), уг­ле­во­да (гли­ко­про­теи­ны) или нук­леи­но­вой ки­сло­ты (ге­но­мы не­ко­то­рых ви­ру­сов). В со­от­вет­ст­вии с фор­мой мо­ле­кул Б. под­раз­де­ля­ют на гло­бу­ляр­ные и фиб­рил­ляр­ные. Мо­ле­ку­лы пер­вых свёр­ну­ты в ком­пакт­ные гло­бу­лы сфе­ри­че­ской или эл­лип­со­ид­ной фор­мы, мо­ле­ку­лы вто­рых об­ра­зу­ют длин­ные во­лок­на (фиб­рил­лы) и вы­со­ко асим­мет­рич­ны. Боль­шин­ст­во гло­бу­ляр­ных Б., в от­ли­чие от фиб­рил­ляр­ных, рас­тво­ри­мы в во­де. Осо­бую груп­пу со­став­ля­ют мем­бран­ные Б., ха­рак­те­ри­зую­щие­ся не­рав­но­мер­ным рас­пре­де­ле­ни­ем гид­ро­филь­ных и гид­ро­фоб­ных (ли­по­филь­ных) уча­ст­ков в мо­ле­ку­ле: часть их по­ли­пеп­тид­ной це­пи, по­гру­жён­ная в мем­бра­ну, со­сто­ит в осн. из гид­ро­фоб­ных ами­но­кислот­ных ос­тат­ков, а вы­сту­паю­щая из мем­бра­ны – из гид­ро­филь­ных.

Структура белков

Прак­ти­че­ски все Б. по­строе­ны из 20 $\ce{L-α}$-ами­но­кис­лот, ко­то­рые со­еди­не­ны ме­ж­ду со­бой пеп­тид­ной свя­зью, об­ра­зо­ван­ной кар­бок­силь­ной и $α$-ами­но­груп­пой со­сед­них ами­но­кис­лот­ных ос­тат­ков:

Бел­ко­вая мо­ле­ку­ла мо­жет со­сто­ять из од­ной или не­сколь­ких по­ли­пеп­тид­ных це­пей (субъ­е­ди­ниц), со­дер­жа­щих от 50 до не­сколь­ких со­тен (ино­гда бо­лее ты­ся­чи) ами­но­кис­лот­ных ос­тат­ков. Мо­ле­ку­ляр­ная мас­са Б. от 5000 до неск. мил­лио­нов. Мо­ле­ку­лы, со­дер­жа­щие ме­нее 50 ос­тат­ков, обыч­но от­но­сят к пеп­ти­дам. В со­став многих Б. вхо­дят ос­тат­ки цис­ти­на, ди­суль­фид­ные свя­зи ко­то­рых ко­ва­лент­но свя­зы­ва­ют уча­ст­ки од­ной или не­сколь­ких це­пей.

Рис. 1. Первичная структура инсулина человека. Обозначение аминокислот см. в таблицепри ст. Аминокислоты.

Раз­ли­ча­ют че­ты­ре уров­ня ор­га­ни­за­ции бел­ко­вых мо­ле­кул. По­сле­до­ва­тель­ность ами­но­кис­лот­ных ос­тат­ков в по­ли­пеп­тид­ной це­пи на­зы­ва­ют пер­вич­ной струк­ту­рой (рис. 1). Все Б. раз­ли­ча­ют­ся по пер­вич­ной струк­ту­ре, и по­тен­ци­аль­но воз­мож­ное их чис­ло прак­ти­че­ски не­ог­ра­ни­чен­но. Ге­не­тич. ин­фор­ма­ция о пер­вич­ной струк­ту­ре Б. за­клю­че­на в его ге­не, ко­то­рый пред­став­ля­ет со­бой по­сле­до­ва­тель­ность нук­лео­ти­дов в мо­ле­ку­лах ДНК или РНК. Ка­ж­дой ами­но­кис­ло­те со­от­вет­ству­ет три­плет (смы­сло­вой ко­дон) нук­лео­ти­дов, од­но­знач­но оп­ре­де­ляю­щий в про­цес­се био­син­те­за Б. её ме­стопо­ло­же­ние в по­ли­пеп­тид­ной це­пи. Час­то по­сле син­те­за Б. под­вер­га­ет­ся до­пол­нит. хи­мич. пре­вра­ще­ни­ям – по­ст­транс­ля­ци­он­ным мо­ди­фи­ка­ци­ям. Вся ин­фор­ма­ция, не­об­хо­ди­мая для фор­ми­ро­ва­ния струк­тур бо­лее вы­со­ких уров­ней, за­ло­же­на в пер­вич­ной струк­ту­ре. Она со­дер­жит так­же не­ко­то­рые уча­ст­ки, вы­пол­няю­щие са­мо­стоя­тель­ную роль в функ­цио­ни­ро­ва­нии Б. Так, ами­но­кис­лот­ные по­сле­до­ва­тель­но­сти сек­ре­ти­руе­мых Б. вклю­ча­ют бо­га­тый гид­ро­фоб­ны­ми ами­но­кис­ло­та­ми сиг­наль­ный пеп­тид (при­мер­но 20–30 ос­тат­ков), ко­то­рый обес­пе­чи­ва­ет пе­ре­нос Б. че­рез мем­бра­ну, по­сле че­го от­ще­п­ля­ет­ся.

Рис. 2. Модель α- спиральной конформации полипептидной цепи; Р – шаг спирали.

Вто­рич­ная струк­ту­ра – спо­соб про­стран­ст­вен­ной ук­лад­ки уча­ст­ков по­ли­пеп­тид­ной це­пи (без учё­та ори­ен­та­ции бо­ко­вых групп). Для Б. осо­бен­но ха­рак­тер­ны пе­рио­ди­че­ские (ка­но­ни­че­ские) эле­мен­ты вто­рич­ной струк­ту­ры: пра­вая $α$-спи­раль и $β$-струк­ту­ра, ста­би­ли­зи­ро­ван­ные во­до­род­ны­ми свя­зя­ми ме­ж­ду $\ce{CO}$- и $\ce{NH}$-груп­па­ми пеп­тид­ной це­пи. Пер­вая ха­рак­те­ри­зу­ет­ся пла­нар­но­стью пеп­тид­ной груп­пы; на 1 ви­ток $α$-спи­ра­ли при­хо­дит­ся 3,6 ос­тат­ков ами­но­кис­лот, шаг спи­ра­ли $P$ – 0,544 нм (рис. 2). Ино­гда в Б. встре­ча­ют­ся пра­вые спи­ра­ли, со­дер­жа­щие 3 ами­но­кис­лот­ных ос­тат­ка на 1 ви­ток. Эти спи­ра­ли го­раз­до ме­нее энер­ге­ти­че­ски вы­год­ны, чем $α$-спи­ра­ли; они пред­став­ле­ны ко­рот­ки­ми уча­ст­ка­ми, ко­то­рые обыч­но рас­по­ла­га­ют­ся на кон­цах $α$-спи­ра­лей. В слу­чае $β$-струк­ту­ры, или струк­ту­ры склад­ча­то­го лис­та, по­ли­пеп­тид­ные це­пи рас­тя­ну­ты, уло­же­ны па­рал­лель­но друг дру­гу и свя­за­ны ме­ж­ду со­бой во­до­род­ны­ми свя­зя­ми. Ос­тов це­пи не ле­жит в од­ной плос­ко­сти, а вслед­ст­вие не­боль­ших из­ги­бов при $α$-уг­ле­род­ных ато­мах об­ра­зу­ет слег­ка вол­ни­стый слой. Бо­ко­вые груп­пы рас­по­ла­га­ют­ся пер­пен­ди­ку­ляр­но плос­ко­сти слоя. Для Б. ха­рак­тер­ны два ви­да $β$-струк­ту­ры: с па­рал­лель­ным и ан­ти­па­рал­лель­ным на­прав­ле­ни­ем це­пей (рис. 3). Част­ный слу­чай $β$-струк­ту­ры – $β$-из­гиб, обес­пе­чи­ваю­щий по­во­рот пеп­тид­ной це­пи на угол ок. 180° на про­тя­же­нии от­рез­ка, со­дер­жа­ще­го 4 ами­но­кис­лот­ных ос­тат­ка: 1-й и 4-й ос­тат­ки со­еди­не­ны во­до­род­ной свя­зью.

Рис. 3. Модель антипараллельной β-структуры. Стрелками указано направление цепи.

От­но­си­тель­ное со­дер­жа­ние $α$-спи­раль­ных уча­ст­ков и $β$-струк­тур в раз­ных Б. мо­жет ши­ро­ко варь­и­ро­вать. Су­ще­ст­ву­ют Б. с пре­об­ла­да­ни­ем $α$-спи­ра­лей (ок. 75% всех ами­но­кис­лот­ных ос­тат­ков в ми­о­гло­би­не и ге­мо­гло­би­не), то­гда как осн. ти­пом струк­ту­ры мн. фиб­рил­ляр­ных Б. (напр., фиб­ри­на и ке­ра­ти­на) яв­ля­ет­ся $β$-струк­ту­ра. У мн. Б. со­дер­жа­ние $α$- и $β$-струк­тур­ных уча­ст­ков не­зна­чи­тель­но. Фраг­мен­ты по­ли­пеп­тид­ных це­пей, не об­ра­зую­щие ка­но­ни­че­скую вто­рич­ную струк­ту­ру, ук­ла­ды­ва­ют­ся в про­стран­ст­ве стро­го оп­ре­де­лён­ным, ха­рак­тер­ным для ка­ж­до­го Б. об­ра­зом и, сле­до­ва­тель­но, им свой­ст­вен­на спе­ци­фи­че­ская вто­рич­ная струк­ту­ра. Бу­ду­чи ос­но­ва­на на ближ­них взаи­мо­дей­ст­ви­ях, она в зна­чит. ме­ре оп­ре­де­ля­ет­ся ами­но­кис­лот­ной по­сле­до­ва­тель­но­стью со­от­вет­ст­вую­ще­го фраг­мен­та Б., что де­ла­ет воз­мож­ным её тео­ре­тич. пред­ска­за­ние с оп­ре­де­лён­ной сте­пе­нью ве­ро­ят­но­сти. Од­на­ко на её фор­ми­ро­ва­ние мо­гут су­ще­ст­вен­но вли­ять даль­ние взаи­мо­дей­ст­вия. Так, $β$-струк­ту­ра мо­жет объ­е­ди­нять неск. рас­по­ло­жен­ных па­рал­лель­но или ан­ти­па­рал­лель­но от­рез­ков, пе­ре­ста­вая быть ло­каль­ным об­ра­зо­ва­ни­ем и пре­вра­ща­ясь в про­тя­жён­ную су­пер­вто­рич­ную струк­ту­ру. В $α$-ке­ра­ти­не три $α$-спи­ра­ли за­кру­чи­ва­ют­ся от­но­си­тель­но друг дру­га, об­ра­зуя су­пер-$α$-спи­раль. Час­то уча­ст­ки су­пер­вто­рич­ной струк­ту­ры объ­е­ди­ня­ют как $α$-спи­раль­ные уча­ст­ки, так и уча­ст­ки $β$-струк­ту­ры, об­ра­зуя струк­ту­ры ти­па $βαβ$ (напр., в ами­но­пеп­ти­да­зах), $αβαβ$ (в ами­ла­зах), $βαβαβαββ$ (в ке­тоа­цил­тио­ла­зах) и т. п.

Под тре­тич­ной струк­ту­рой Б. по­ни­ма­ют рас­по­ло­же­ние в про­стран­ст­ве всех ато­мов бел­ко­вой мо­ле­ку­лы (рис. 4). При этом не учи­ты­ва­ют её взаи­мо­дей­ст­вия с со­сед­ни­ми мо­ле­ку­ла­ми. Тре­тич­ная струк­ту­ра фор­ми­ру­ет­ся са­мо­про­из­воль­но и ста­би­ли­зи­ру­ет­ся сис­те­мой не­ко­ва­лент­ных взаи­мо­дей­ст­вий – во­до­род­ны­ми, ион­ны­ми, ион-ди­поль­ны­ми, ди­поль-ди­поль­ны­ми, ван­дер­ва­аль­со­вы­ми свя­зя­ми, а так­же гид­ро­фоб­ны­ми взаи­мо­дей­ст­вия­ми ме­ж­ду бо­ко­вы­ми це­пя­ми не­по­ляр­ных ами­но­кис­лот­ных ос­тат­ков. Как пра­ви­ло, внут­ри гло­бу­лы гло­бу­ляр­ных Б. рас­по­ло­же­ны бо­ко­вые це­пи гид­ро­фоб­ных ами­но­кис­лот, со­б­ран­ные в яд­ро, а по­ляр­ные груп­пи­ров­ки рас­по­ла­га­ют­ся на её по­верх­но­сти в гид­ра­ти­ро­ван­ном со­стоя­нии. Од­на­ко свя­зы­ва­ние Б. с др. мо­ле­ку­ла­ми, напр. фер­мен­та с его суб­стра­том или ко­фер­мен­том, поч­ти все­гда осу­ще­ст­в­ля­ет­ся с по­мо­щью не­боль­шо­го гид­ро­фоб­но­го уча­ст­ка, рас­по­ло­жен­но­го ли­бо на по­верх­но­сти, ли­бо в спец. впа­ди­не или ще­ли гло­бу­лы.

Тре­тич­ная струк­ту­ра бел­ка со­от­вет­ст­ву­ет его пер­вич­ной струк­ту­ре. Од­на­ко один и тот же спо­соб ук­лад­ки це­пи в про­стран­ст­ве со­от­вет­ст­ву­ет це­ло­му се­мей­ст­ву пер­вич­ных струк­тур эво­лю­ци­он­но род­ст­вен­ных Б., в ко­то­рых сов­па­дать мо­жет все­го лишь 20–30% ами­но­кис­лот­ных ос­тат­ков. Эти не­из­ме­няе­мые (кон­сер­ва­тив­ные) ос­тат­ки оп­ре­де­ля­ют по­ло­же­ние то­чек из­ги­ба по­ли­пеп­тид­ной це­пи, а так­же др. су­ще­ст­вен­но важ­ные осо­бен­но­сти кон­фор­ма­ции, и в ча­ст­но­сти ак­тив­ные цен­тры фер­мен­тов, зо­ны свя­зы­ва­ния дру­гих био­ло­гич. мо­ле­кул, эф­фек­тор­ные цен­тры Б. и т. д. На­ру­ше­ние тре­тич­ной струк­ту­ры Б. (де­на­ту­ра­ция) не­из­мен­но при­во­дит к ут­ра­те их функ­ции. Тре­тич­ная струк­ту­ра мн. Б. фор­ми­ру­ет­ся из не­сколь­ких ком­пакт­ных, не­за­ви­си­мо об­ра­зо­ван­ных об­лас­тей – до­ме­нов, ко­то­рые мо­гут об­ла­дать и функ­цио­наль­ной ав­то­но­ми­ей, бу­ду­чи от­вет­ст­вен­ны­ми за те или иные ви­ды био­ло­гич. ак­тив­но­сти. Ме­ж­ду со­бой до­ме­ны обыч­но свя­за­ны «тон­ки­ми пе­ре­мыч­ка­ми» – вы­тя­ну­ты­ми уча­ст­ка­ми по­ли­пеп­тид­ной це­пи. Пеп­тид­ные свя­зи в этих уча­ст­ках при об­ра­бот­ке про­те­о­ли­тич. фер­мен­та­ми рас­ще­п­ля­ют­ся в пер­вую оче­редь, то­гда как отдельные до­мены обыч­но от­но­си­тель­но ус­той­чи­вы к про­те­о­ли­зу. Фак­то­ры, ста­би­ли­зи­рую­щие тре­тич­ную струк­ту­ру Б., поч­ти ком­пен­си­ро­ва­ны фак­то­ра­ми, про­ти­во­дей­ст­вую­щи­ми свёр­ты­ва­нию по­ли­пеп­тид­ной це­пи в ком­пакт­ную гло­бу­лу, по­это­му про­стран­ст­вен­ная струк­ту­ра Б., как пра­ви­ло, ла­биль­на. Тре­тич­ная струк­ту­ра по­движ­на: отд. уча­ст­ки мо­ле­ку­лы Б., в осо­бен­но­сти пет­ли и до­ме­ны, мо­гут сме­щать­ся, что при­во­дит к кон­фор­ма­ци­он­ным пе­ре­хо­дам, ко­то­рые иг­ра­ют зна­чит. роль во взаи­мо­дей­ст­вии Б. с др. мо­ле­ку­ла­ми, об­лег­чая об­ра­зо­ва­ние ком­пле­мен­тар­ных по­верх­но­стей.

Рис. 4. Схематическое изображение пространственной организации белка. Слева – схемы строения α-спирали, β-структурыи включающего их домена. В центре – субъединица (мономер), состоящая из двух доменов....

Чет­вер­тич­ная струк­ту­ра – про­стран­ст­вен­ный ан­самбль не­сколь­ких (ча­ще все­го 2–6) взаи­мо­дей­ст­вую­щих ме­ж­ду со­бой субъ­е­ди­ниц, пред­став­лен­ных отд. по­ли­пеп­тид­ны­ми це­пя­ми Б. (рис. 4). Та­кой уро­вень ор­га­ни­за­ции ха­рак­те­рен для мн. Б. Ме­ж­ду со­бой отд. субъ­е­ди­ни­цы со­еди­не­ны во­до­род­ны­ми и ион­ны­ми свя­зя­ми, гид­ро­фоб­ны­ми вза­и­мо­дей­стви­я­ми и др. Из­ме­не­ние рН и ион­ной си­лы рас­тво­ра, по­вы­ше­ние темп-ры или об­ра­бот­ка де­тер­ген­та­ми обыч­но при­во­дит к дис­со­циа­ции мак­ро­мо­ле­кул на субъ­е­ди­ни­цы. В боль­шин­ст­ве слу­ча­ев этот про­цесс об­ра­тим: при уст­ра­не­нии фак­то­ров, вы­зы­ваю­щих дис­со­циа­цию, про­ис­хо­дит са­мо­про­из­воль­ная ре­кон­ст­рук­ция ис­ход­ной чет­вер­тич­ной струк­ту­ры. Не­ко­то­рые Б. спо­соб­ны об­ра­зо­вы­вать струк­ту­ры бо­лее вы­со­ких по­ряд­ков, напр. по­ли­фер­мент­ные ком­плек­сы, про­тя­жён­ные струк­ту­ры (Б. обо­ло­чек бак­те­рио­фа­гов) и т. п. Осн. функ­ция чет­вер­тич­ной струк­ту­ры со­сто­ит в том, что­бы от­но­си­тель­но сла­бые зо­ны меж­субъ­е­ди­нич­ных кон­так­тов, лег­ко реа­ги­рую­щих на из­ме­не­ния тре­тич­ной струк­ту­ры субъ­е­ди­ниц или на при­сое­ди­не­ние тех или иных ве­ществ – эф­фек­то­ров, спо­соб­ны бы­ли пе­ре­да­вать эти из­ме­не­ния на др. субъ­е­ди­ни­цы. На этом ос­но­ва­на коо­пе­ра­тив­ность дей­ст­вия мн. Б., ре­гу­ля­ция их ак­тив­но­сти за счёт взаи­мо­дей­ст­вий с ве­ще­ст­ва­ми, не имею­щи­ми струк­тур­но­го сход­ст­ва с суб­стра­том дан­но­го Б. Так, ко­неч­ный про­дукт, об­ра­зую­щий­ся в це­пи фер­мен­та­тив­ных ре­ак­ций, мо­жет управ­лять ак­тив­но­стью пер­во­го её зве­на, что по­зво­ля­ет при­ос­та­но­вить за­тра­ту ис­ход­ных со­еди­не­ний, ес­ли на­ко­пи­лось дос­та­точ­ное ко­ли­че­ст­во ко­неч­но­го про­дук­та. При­ме­ром функ­цио­ни­ро­ва­ния чет­вер­тич­ной струк­ту­ры мо­гут слу­жить ге­мо­гло­би­ны, в ко­то­рых по­оче­рёд­но про­те­ка­ют ре­ак­ции при­сое­ди­не­ния и от­ще­п­ле­ния ки­сло­ро­да, в за­ви­си­мо­сти от его кон­цен­тра­ции в кро­ви и на­ли­чия та­ких эф­фек­то­ров, как $\ce{H^{+},\, CO_2,\, Сl^{–}}$ или фос­фог­ли­це­рат.

Методы исследования структуры белков

Для оп­ре­де­ле­ния пер­вич­ной струк­ту­ры Б. пре­ж­де все­го раз­де­ля­ют его поли­пеп­тид­ные це­пи, за­тем оп­ре­де­ля­ют ами­но­кис­лот­ный со­став це­пей, N- и С-кон­це­вые ами­но­кис­лот­ные ос­тат­ки и по­сле­до­ва­тель­ность ами­но­кис­лот. По­ли­пеп­тид­ные це­пи под­вер­га­ют спе­ци­фич. рас­ще­п­ле­нию про­те­о­ли­тич. фер­мен­та­ми (напр., трип­си­ном, ко­то­рый гид­ро­ли­зу­ет свя­зи по ос­тат­кам ли­зи­на и ар­ги­ни­на, или про­теа­зой из Staphylococcus aureus, гид­ро­ли­зую­щей свя­зи по ос­тат­кам глу­та­ми­но­вой ки­сло­ты) или хи­мич. реа­ген­та­ми (напр., бром­циа­ном, рас­ще­п­ляю­щим свя­зи, об­ра­зо­ван­ные ос­тат­ка­ми ме­тио­ни­на, гид­ро­кси­ла­ми­ном – ме­ж­ду ос­тат­ка­ми ас­па­ра­ги­на и гли­ци­на). Смесь об­ра­зо­вав­ших­ся фраг­мен­тов раз­де­ля­ют и для ка­ж­до­го из них оп­ре­де­ля­ют ами­но­кис­лот­ную по­сле­до­ва­тель­ность. Осн. ме­то­дом ис­сле­до­ва­ния ами­но­кис­лот­ной по­сле­до­ва­тель­но­сти пеп­ти­дов и бел­ков яв­ля­ет­ся их де­гра­да­ция с по­мо­щью фе­ни­ли­зо­тио­циа­на­та (ме­тод Эд­ма­на); при этом про­ис­хо­дит по­сле­до­ва­тель­ное от­ще­п­ле­ние N-кон­це­вых ами­но­кис­лот­ных ос­тат­ков в ви­де фе­нил­тио­ги­дан­тои­нов, ко­то­рые по­гло­ща­ют свет в УФ-об­лас­ти с мак­си­му­мом по­гло­ще­ния 265–270 нм. С по­мо­щью спец. при­бо­ра – се­к­ве­на­то­ра – уда­ёт­ся осу­ще­ст­вить ав­то­ма­тич. от­ще­п­ле­ние и иден­ти­фи­ка­цию фе­нил­тио­ги­дан­тои­нов. Для этих же це­лей при­ме­ня­ют масс-спек­тро­мет­рию. В по­след­ние го­ды для ус­та­нов­ле­ния пер­вич­ной струк­ту­ры Б. в осн. поль­зу­ются дан­ными о по­сле­до­ва­тель­но­сти нук­лео­ти­дов в их струк­тур­ных ге­нах. Для оп­ре­де­ле­ния со­дер­жа­ния ка­но­нич. эле­мен­тов вто­рич­ной струк­ту­ры в Б. ис­поль­зу­ют ме­то­ды кру­го­во­го дих­ро­из­ма и дис­пер­сии оп­тич. вра­ще­ния. О про­стран­ст­вен­ном рас­по­ло­же­нии ато­мов в мо­ле­ку­ле Б. су­дят на ос­но­ва­нии рент­ге­но­ст­рук­тур­но­го ана­ли­за его кри­стал­лов. С по­мо­щью диф­фе­рен­ци­аль­ной спек­тро­ско­пии, спек­тро­ско­пии ком­би­на­ци­он­но­го рас­сея­ния и флуо­рес­цен­ции изу­ча­ют из­ме­не­ние кон­фор­ма­ции Б. в про­цес­се функ­цио­ни­ро­ва­ния или при из­ме­не­нии внеш­них ус­ло­вий. Пря­мую ин­фор­ма­цию о про­ст­ран­ст­вен­ном строе­нии Б. в рас­тво­ре да­ёт ме­тод ядер­но-маг­нит­но­го ре­зо­нан­са.

Физико-химические свойства

Мо­ле­ку­лы Б. име­ют мас­су от не­сколь­ких ты­сяч до 1 мил­лио­на и вы­ше. Кон­стан­та се­ди­мен­та­ции варь­и­ру­ет от 1 до 20 и бо­лее. Сред­ний удель­ный объ­ём бел­ко­вых мо­ле­кул 0,70–0,75 см3/г. Мо­ле­ку­лы Б. об­ла­да­ют сла­бой спо­соб­но­стью к диф­фу­зии и не про­хо­дят че­рез по­лу­про­ни­цае­мые мем­бра­ны. Мак­си­мум по­гло­ще­ния Б. в УФ-об­лас­ти спек­тра, обу­слов­лен­ный на­ли­чи­ем в их мо­ле­ку­лах аро­ма­тич. ами­но­кис­лот­ных ос­тат­ков, на­хо­дит­ся вбли­зи 280 нм. В ИК-об­лас­ти спек­тра Б. по­гло­ща­ют за счёт $\ce{COO}$- и $\ce{NH}$-групп при 1600 и 3100–3300 см–1. Рас­тво­ри­мые Б. – гид­ро­филь­ные кол­лои­ды, ак­тив­но свя­зы­ваю­щие во­ду. Б. – ам­фо­тер­ные элек­тро­ли­ты, т. к. име­ют сво­бод­ные кар­бок­силь­ные и амин­ные груп­пы. Изо­элек­три­че­ские точ­ки у раз­ных Б. ко­леб­лют­ся от ме­нее 1,0 (у пеп­си­на) до 10,6 (у ци­то­хро­ма c) и вы­ше. Рас­тво­ри­мость Б. так­же мо­жет су­ще­ст­вен­но раз­ли­чать­ся. Од­ни Б. лег­ко рас­тво­ря­ют­ся в во­де, дру­гим для рас­тво­ре­ния тре­бу­ет­ся на­ли­чие не­боль­ших кон­цен­тра­ций со­лей, тре­тьи пе­ре­хо­дят в рас­твор толь­ко под дей­ст­ви­ем силь­ных ще­ло­чей или де­тер­ген­тов. Раз­ные Б. не­оди­на­ко­во оса­ж­да­ют­ся из рас­тво­ров ор­га­ническими ве­ще­ст­ва­ми (напр., спир­та­ми) или вы­со­ки­ми кон­цен­тра­ция­ми со­лей (вы­са­ли­ва­ют­ся). Су­ще­ст­вен­ные раз­ли­чия в рас­тво­ри­мо­сти и др. осо­бен­но­сти ис­поль­зу­ют­ся при вы­де­ле­нии ин­ди­ви­ду­аль­ных Б. Бел­ки да­ют ряд цвет­ных ре­ак­ций, обу­слов­лен­ных на­ли­чи­ем оп­ре­де­лён­ных ами­но­кис­лот­ных ос­тат­ков или хи­мических груп­пи­ро­вок. К важ­ней­шим из них от­но­сятся биу­ре­то­вая (ре­ак­ция с би­у­ре­том, на пеп­тид­ную связь) и нин­гид­ри­но­вая (с нин­гид­ри­ном, на ами­но­груп­пу) ре­ак­ции. Бо­ко­вые груп­пы ами­но­кис­лот­ных ос­тат­ков спо­соб­ны всту­пать во мно­гие хи­ми­че­ские ре­ак­ции. При этом ре­ак­ци­он­ная спо­соб­ность од­них и тех же груп­пи­ро­вок су­ще­ст­вен­ным об­ра­зом за­ви­сит от по­ло­же­ния в по­ли­пеп­тид­ной це­пи Б.: как от ло­ка­ли­за­ции груп­пи­ров­ки в об­щей про­стран­ст­вен­ной струк­ту­ре Б., так и от влия­ния со­сед­них бо­ко­вых групп. Наи­выс­шей ре­ак­ци­он­ной спо­соб­но­стью обыч­но об­ла­да­ют груп­пи­ров­ки, рас­по­ло­жен­ные в со­ста­ве ак­тив­но­го цен­тра бел­ка.

Получение белков

Раз­ра­бо­та­ны ме­то­ды вы­де­ле­ния ин­ди­ви­ду­аль­ных Б., ос­но­ван­ные гл. обр. на хро­ма­то­гра­фии, вклю­чая аф­фин­ную, экс­клю­зи­он­ную, ио­но­об­мен­ную и гид­ро­фоб­ную. Осо­бен­но про­дук­тив­но их при­ме­не­ние в ре­жи­ме вы­со­ко­эф­фек­тив­ной жид­ко­ст­ной хро­ма­то­гра­фии. Ши­ро­ко ис­поль­зу­ют­ся так­же ульт­ра­фильт­ра­ция, элек­тро­фо­рез и др. Кри­те­рия­ми чис­то­ты Б. яв­ля­ют­ся го­мо­ген­ность при элек­тро­фо­ре­зе, хро­ма­то­гра­фии и ульт­ра­цен­три­фу­ги­ро­ва­нии. У Б., со­стоя­ще­го из од­ной по­ли­пеп­тид­ной це­пи, она ус­та­нав­ли­ва­ет­ся при ана­ли­зе N-кон­це­вой ами­но­кис­ло­ты.

Для по­лу­че­ния пеп­ти­дов, в т. ч. гор­мо­нов и их раз­но­об­раз­ных ана­ло­гов, а так­же пеп­ти­дов, не­су­щих ан­ти­ген­ные де­тер­ми­нан­ты разл. Б. и ис­поль­зуе­мых для при­го­тов­ле­ния со­от­вет­ст­вую­щих вак­цин, ши­ро­ко при­ме­ня­ет­ся хи­мич. син­тез. Осу­ще­ст­в­лён хи­мич. син­тез не­ко­то­рых не­боль­ших Б., од­на­ко эта очень тру­до­ём­кая про­це­ду­ра до сих пор име­ет скорее тео­ре­ти­че­ское, чем прак­ти­че­ское зна­че­ние. Б., имею­щие пром. зна­че­ние (фер­мен­ты, гор­мо­ны, ци­то­ки­ны, ин­тер­фе­ро­ны), син­те­зи­ру­ют­ся с по­мо­щью тех­но­ло­гии ре­ком­би­нант­ных ДНК (ге­не­ти­че­ской ин­же­не­рии) в чу­же­род­ных ор­га­низ­мах и яв­ля­ют­ся про­дук­та­ми био­тех­но­ло­гич. про­из­водств. Ме­то­ды бел­ко­вой ин­же­не­рии поз­во­ля­ют це­ле­на­прав­лен­но из­ме­нять струк­ту­ру бел­ков.

Лит.: Ов­чин­ни­ков Ю. А. Био­ор­га­ни­че­ская хи­мия. М., 1987; Про­бле­ма бел­ка. M., 1995. Т. 1: Хи­ми­че­ское строе­ние бел­ка; Сте­па­нов В. М. Мо­ле­ку­ляр­ная био­ло­гия. Струк­ту­ра и функ­ции бел­ков. М., 1996; Molecular biology of the cell. 4th ed. N. Y., 2002.

Вернуться к началу