Многообразие белков. Глобулярные и фибриллярные белки, простые и сложные. Представления о структуре фибриллярных белков

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.