Заход 1. Про то, что большое начинается с малого.
Речь о белках в академических учебниках чаще всего начинается с описания их строения. И это очень правильный подход, который продиктован не столько логикой «от малого к большому», сколько тем, что и сама топография нативных1 белков и их функционирование напрямую следуют из их химического строения. Последуем этому принципу и мы. Те, кто хорошо знает эту часть биохимии (или хотя бы хорошо помнит школьный курс органики) ничего нового из первой части не узнает. Но остальным она будет полезна.
1 Находящихся в природном состоянии; в такой структуре, в какой они работают в клетке.
_________________________________
Итак, белки. Это всего лишь полипептиды, находящиеся в определенной пространственной конформации, в том виде, в котором они и работают в клетках живых организмов. «Всего лишь» с точки зрения их химического строения, но могут они многое. Полипептиды же – это полимеры, состоящие из мономеров-аминокислот. Вот с аминокислот и начнем.
Все аминокислоты, встречающиеся в белках – это α-аминокислоты. И все они имеют общую формулу, как на рис. 1. «Альфа» - это атом углерода, к которому присоединена аминогруппа ( –NH2), они просто по порядку в цепи обозначаются буквами греческого алфавита, начиная от карбоксильной группы ( -COOH). Важно отметить, что группы, присоединенные к атому углерода, имеют противоположные химические свойства: карбоксильная - кислотные, а аминная - основные. Это-то и определяет прочность связей в пептидной цепи.
рис.1
Связь эта так и называется «пептидная», выглядит она как на рис. 2. Там же изображено, как она образуется. В результате мы имеем цепочку, чередующиеся «остаток аминогруппы - атом углерода с присоединенным радикалом – остаток карбоксильной группы». И все снова. Как видим, довольно просто. Всегда поражало, как некоторых студентов ставит в тупик задание типа «нарисуйте Мет-Ала-Тре-Лей» (пишут их с N-конца, на картинке он слева), и они не знали с чего начать. Да просто надо нарисовать однотипно повторяющуюся цепочку, а потом уж к ней и радикальные остатки подрисуем! (Многие из этих студентов теперь преподают биологию в школе, ага…) Вот так из некоторых аминокислот и образуется пептидная цепь – основа белка.
рис. 2
Почему "некоторых"? Потому что их в теории может быть очень много, но в белках присутствуют далеко не все. В настоящее время известно около 500 природных аминокислот, но лишь 20 из них (на самом деле – нет, есть еще селеноцистеин и пирролизин) образуют белки. Их-то и именуют красиво «20 волшебных аминокислот» или прозаичней – протеиногенными аминокислотами. Все они различаются лишь радикальными группами. Исключение составляет пролин, который вообще-то иминокислота, он нарисован на рисунке 3. Он очень похож на обычную аминокислоту, и как так получилось это "исключение" из рисунка же и можно понять: мысленно разорвите связь атома азота с углеродом в левом верхнем углу и добавьте к каждому по водороду соответственно. Вуаля: у нас классическая α-аминокислота с радикалом , называемым «пропил». (Не от слова «пить», а от «пропан». Химическая номенклатура – это иногда весело.)
рис. 3
Пора взглянуть на все эти волшебные аминокислоты... Таблица на рисунке 4 нам их покажет. Разделены они в этой таблице по своим химическим свойствам и, кроме наших 20, включают еще и селеноцистеин. И вот эти их свойства, по которым они разделены, нам и важны. Поподробней о них: А – цепочки радикалов с заряженными концами. B – цепочки с незаряженными концами, но поляризованными, как молекула воды. Они у нас и будут гидрофильными поэтому. С – специализированные аминокислоты. Например, два цистеина образуют дисульфидный мостик и связываются между собой в цистин. Это очень важные для сворачивания полипептидной цепи аминокислоты! D – гидрофобные цепочки, они от воды отталкиваются.
рис. 4
Нам интересно разделение по химическим свойствам этих аминокислот потому, что именно ими-то и будет определяться дальнейшее сворачивание белка – вторичные и третичные структуры, когда речь уже можно будет вести о конформации белка, то есть его пространственной организации. (Я не случайно взял именно эту таблицу.) Что будет происходить? А заряженные аминокислотные остатки будут связываться друг с другом , полярные притягиваться или отталкиваться, гидрофобные уйдут внутрь образующейся глобулы, гидрофильные же окажутся преимущественно на поверхности, и т. п.
Во вторичной структуре получаются интересные образования. Основные из этих образований – α-спирали и β-структуры. Они на рисунке 5. Так, α-спираль получается благодаря водородным связям между карбоксильной группой и атомом водорода в амидной, через 4 аминокислоты (оборот – 3,6 аминокислотных остатка). β-структуры – это складки, как на гармошке. Они бывают параллельные и антипараллельные, то есть N- и C- концы пептидной цепи иногда совпадают, а иногда – нет. Бывает, что такую структуру образовывают и разные цепи.
Есть области и с нерегулярной вторичной структурой, которые называют «беспорядочные клубки». Однако, вопреки названию, они тоже часто похожи у разных молекул, и таки это такой «порядок».
рис. 5
Ну а про третичную структуру и некоторые с ней связанные проблемы я расскажу позже, как раз мы и подойдем вплотную к нашим «волшебным» шаперонам.
.