Номенклатура, молекулярная масса и значения рK аминокислот

Название аминокислоты	Обозначение	Молеку-лярная масса	рK1 (a-СООН)	рK2 (a-NH3+)	рKR (R-группы)
Глицин	Gly G		2,34	9,60	−
Аланин	Ala A		2,34	9,69	−
Валин	Val V		2,32	9,62	−
Лейцин	Leu L		2,36	9,60	−
Изолейцин	Ile I		2,36	9,68	−
Пролин	Pro P		1,99	10,96	−
Фенилаланин	Phe F		1,83	9,13	−
Тирозин	Tyr Y		2,20	9,11	10,07
Триптофан	Trp W		2,38	9,39	−
Серин	Ser S		2,21	9,15	13,60
Треонин	Thr T		2,11	9,62	13,60
Цистеин	Cys C		1,96	10,78	10,28
Метионин	Met M		2,28	9,21	−
Аспарагин	Asn N		2,02	8,80	−
Глутамин	Gln Q		2,17	9,13	−
Аспартат	Asp D		1,88	9,60	3,65
Глутамат	Glu E		2,19	9,67	4,25
Лизин	Lys K		2,18	8,95	10,53
Аргинин	Arg R		2,17	9,04	12,48
Гистидин	His H		1,82	9,17	6,00

В зависимости от полярности R-групп выделяют четыре класса аминокислот: неполярные, полярные незаряженные, отрицательно заряженные и положительно заряженные.

К неполярным аминокислотам относятся: глицин; аминокислоты с алкильными и арильными боковыми цепями – аланин, валин, лейцин, изолейцин; тирозин, триптофан, фенилаланин; иминокислота – пролин. Они стремятся попасть в гидрофобное окружение «внутри» молекулы белка.

В число полярных заряженных аминокислот входят: положительно заряженные аминокислоты – гистидин, лизин, аргинин; отрицательно заряженные аминокислоты – аспарагиновая и глутаминовая кислота. Они обычно выступают наружу, в водное окружение белка.

Остальные аминокислоты образуют категорию полярных незаряженных: серин и треонин (аминокислоты-спирты); аспарагин и глутамин (амиды аспарагиновой и глутаминовой кислот); цистеин и метионин (серосодержащие аминокислоты).

Поскольку при нейтральном значении рН СООН-группы глутаминовой и аспарагиновой кислот полностью диссоциированы, их принято называть глутаматом и аспартатом независимо от природы присутствующих в среде катионов.

В ряде белков содержатся особые аминокислоты, образующиеся путем модификации обычных аминокислот после их включения в полипептидную цепь, например 4-гидроксипролин, фосфосерин, g-карбоксиглутаминовая кислота и др.

Все аминокислоты, образующиеся при гидролизе белков в достаточно мягких условиях, обнаруживают оптическую активность, т. е. способность вращать плоскость поляризованного света (за исключением глицина). Оптической активностью обладают все соединения, способные существовать в двух стереоизомерных формах (L- и D-изомеры). В состав белков входят только L-аминокислоты.

Глицин не имеет асимметрического атома углерода, а треонин и изолейцин содержат по два асимметрических атома углерода. Все остальные аминокислоты содержат один асимметрический атом углерода.

Оптически неактивная форма аминокислоты называется рацематом, представляющим собой эквимолярную смесь D- и L-изомеров, и обозначается символом DL-.

Мономеры аминокислот, входящих в состав полипептидов, называются аминокислотными остатками. Остатки аминокислот соединяются друг с другом пептидной связью (рис. 2.1), в формировании которой принимает участие a-карбоксильная группа одной аминокислоты и α-аминогруппа другой.

Равновесие этой реакции сдвинуто в сторону образования свободных аминокислот, а не пептида. Поэтому биосинтез полипептидов требует катализа и затрат энергии.

Рис. 2.1. Планарное расположение атомов пептидной связи:

а – таутомерные превращения пептидной связи; б – обозначение атомов и связей пептидной группы; в – фрагмент полипептидной цепи

Поскольку дипептид содержит реакционноспособные карбоксильную и аминогруппу, то к нему с помощью новых пептидных связей могут присоединяться другие аминокислотные остатки, в результате чего образуется полипептид – белок.

Полипептидная цепь состоит из регулярно повторяющихся участков – групп -NH-CHR-CO-, образующих основную цепь (скелет или остов молекулы), и вариабельной части, включающей характерные боковые цепи. R-группы аминокислотных остатков выступают из пептидного остова и формируют в значительной степени поверхность полимера, определяя многие физические и химические свойства белков. Свободное вращение в пептидном остове возможно между атомом азота пептидной группы и соседним a-углеродным атомом, а также между a-углеродным атомом и углеродом карбонильной группы. Благодаря этому линейная структура может приобретать более сложную пространственную конформацию.

Аминокислотный остаток, имеющий свободную a-аминогруппу, называется N-концевым, а имеющий свободную a-карбоксильную группу – С-концевым (рис. 2.1).

Структуру пептидов принято изображать с N-конца.

Иногда концевые a-аминогруппа и a-карбоксильная группа связываются одна с другой, образуя циклические пептиды.

Пептиды различаются количеством аминокислот, аминокислотным составом и порядком соединения аминокислот.

Пептидные связи очень прочные, и для их химического гидролиза требуются жесткие условия: высокие температура и давление, кислая среда и длительное время.

В живой клетке пептидные связи могут разрываться с помощью протеолитических ферментов, называемых протеазами, или пептидгидролазами.

Так же, как и аминокислоты, белки являются амфотерными соединениями и в водных растворах заряжены. Для каждого белка существует своя изоэлектрическая точка. При значениях рН выше изоэлектрической точки белок несет отрицательный заряд, а при значениях рН ниже изоэлектрической точки – положительный.

Аминокислотные остатки в пептидной цепи белков чередуются не случайным образом, а расположены в определенном порядке. Линейная последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи называется первичной структурой белка. Она определяет другие уровни организации белков – вторичную, третичную и четвертичную структуры (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Уровни структурной организации белков

Среди известных белков самые короткие цепи встречаются в некоторых пептидных гормонах, имеющих в своем составе от 25 до 100 аминокислот. Более типичны полипептидные цепи, содержащие от 100 до 500 аминокислотных остатков. Наибольшая из известных полипептидных цепей состоит более чем из 3000 остатков, что характерно для фибриллярных белков.

Последовательность аминокислот в первичной структуре белка является специфической для данного белка, отличающей его от любого другого индивидуального белка. Замена даже одной аминокислоты на другую может привести к полной утрате биологической активности белка.

Первичная структура белка генетически детерминирована и воспроизводится в ходе транскрипции и трансляции.

Первичная структура стабилизируется ковалентными связями –

пептидной, а в некоторых белках и дисульфидной. Последняя образуется при окислении остатков цистеина между разными участками одной и той же полипептидной цепи. Образующийся при этом дисульфид называется цистином.

Линейные полипептидные цепи индивидуальных белков за счет взаимодействия функциональных групп аминокислот приобретают определенную пространственную трехмерную структуру, или конформацию.

По форме молекул белки делят на две группы: глобулярные и фибриллярные. В глобулярных белках полипептидные цепи плотно свернуты в компактные сферические, или глобулярные, структуры. Глобулярные белки растворимы в воде и разбавленных солевых растворах. Все или почти все полярные группы глобулярных белков расположены на поверхности молекулы и гидратированы, а гидрофобные остатки находятся внутри белковой глобулы, что позволяет им избежать контакта с водным окружением. Пептидные группы белков сами достаточно полярны, поэтому они стремятся образовать водородные связи друг с другом и с полярными боковыми группами аминокислот. К глобулярным белкам относятся ферменты, антитела, некоторые гормоны и белки, выполняющие транспортную функцию (например, гемоглобин).

В фибриллярных белках полипептидные цепи, располагаясь параллельно друг другу вдоль одной оси, образуют длинные волокна (фибриллы) или слои. Фибриллярные белки нерастворимы в воде и разбавленных солевых растворах. К ним относятся белки соединительной ткани животных (коллаген, кератин).

Некоторые белки принадлежат к промежуточному типу. Подобно фибриллярным белкам они формируют длинные палочковидные структуры и в то же время, как глобулярные белки, растворимы в солевых растворах. К ним относятся миозин и фибриноген.

Вторичная структура белка – это пространственная структура, образующаяся в результате взаимодействий между функциональными группами пептидного остова. При этом полипептидная цепь может приобретать регулярные структуры двух типов – a-спирали и β-структуры.

a-Спираль имеет вид стержня. Туго закрученная цепь пептидного остова полипептида создает внутреннюю часть стержня, а боковые цепи аминокислотных остатков направлены наружу от основной цепи, располагаясь по спирали. a-Спираль стабилизирована водородными связями, которые образуются между атомом кислорода карбоксильной группы и водородом амидного азота пептидного остова через 4 аминокислоты. На каждый виток (шаг) спирали приходится 3,6 аминокислотных остатка. На один аминокислотный остаток спирали приходится 1,5 Å, шаг спирали составляет 3,6 · 1,5 = 5,4 Å. Водородные связи параллельны оси спирали и возникают между каждым первым и каждым пятым аминокислотными остатками. Боковые цепи аминокислотных остатков, располагаясь по периферии спирали, не участвуют в образовании водородных связей, формирующих вторичную структуру (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Различные типы изображения a-спирализованного участка полипептидной цепи

Спираль может закручиваться по часовой стрелке (правая спираль) или против (левая спираль). Все исследованные a-спирали белков относятся к правому типу, что обусловлено строением L-аминокислот.

Большие объемные аминокислотные остатки (например, пролин) или остатки с одинаковыми отталкивающимися зарядами препятствуют формированию a-спирали.

Содержание a-спиралей в белках крайне вариабельно. Не все белки могут существовать в a-спиральной форме, так как способность полипептидной цепи к образованию стабильной a-спиральной структуры определяется природой боковых цепей аминокислотных остатков. a-Спирали преобладают в отдельных участках глобулярных белков.

β-Структура (или β-складчатый слой) существенно отличается от a-спирали, так как имеет плоскую, а не стержневидную форму. β-Структура – это обычная структура участков глобулярных белков (не всех). В ней полипептидные цепи почти полностью вытянуты, а не туго скручены, как в a-спирали. Две или более линейные полипептидные цепи прочно связываются водородными связями между NH- и СО-группами пептидных связей, перпендикулярными оси молекулы (складчатый β-слой), тогда как в a-спирали водородные связи между этими группами образуются в пределах одной и той же полипептидной цепи. Боковые цепи аминокислотных остатков находятся по одну или другую сторону зигзагообразных плоскостей β-структуры (рис. 2.4). Причем, если они велики по размеру или имеют одинаковые заряды, то существование β-структуры становится невозможным из-за взаимного отталкивания R-групп боковых цепей аминокислот.

Если межцепочечными водородными связями соединены две полипептидные цепи, идущие в одном направлении от N- к С-концу, то это параллельная β-структура. Если N- и С-концы взаимодействующих полипептидных цепей расположены противоположно, то это антипараллельная β-структура (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Типы организации β-складчатой структуры

полипептидной цепи:

а – антипараллельная; б - параллельная

Большинство белков имеют компактную глобулярную форму, обусловленную тем, что их полипептидные цепи делают много изгибов, меняющих направление цепи на 180°. Во многих случаях поворот цепи в противоположном направлении осуществляется благодаря наличию одного и того же структурного элемента, называемого β-изгибом. Этот изгиб, имеющий вид шпильки для волос, образуется в результате того, что СО-группа аминокислотного остатка n в полипептидной цепи присоединяется водородными связями к NH-группе аминокислотного остатка (n + 3)(рис. 2.5). В результате направление полипептидной цепи меняется на противоположное. Чаще всего такие изгибы обусловлены наличием в структуре белка остатков пролина.

Рис. 2.5. β-Изгиб пептидной связи, образованной остатками пролина:

а – фрагмент полипептидной цепи; б – цис-транс-изомерия пептидной связи, образованной остатками пролина

В белках, в которых имеются короткие участки a-спирали и β-структуры, образованию a-спирали способствуют такие аминокислоты, как аланин, лейцин и глутаминовая кислота. Тогда как метионин, валин и изолейцин чаще встречаются в составе β-структуры, а глицин, пролин и аспарагин обычно расположены в местах изгиба цепи.

Хотя конформация каждого белка уникальна, несколько способов укладки полипептидной цепи постоянно повторяются в отдельных участках макромолекул.

Участки белковой молекулы, которые не относятся к спиральным или складчатым структурам, называются неупорядоченными.

Третичная структура белка– это трехмерная пространственная структура, образующаяся за счет взаимодействий между радикалами аминокислотных остатков, которые располагаются на значительном расстоянии друг от друга в полипептидной цепи. При этом уменьшается свободное вращение связей пептидного остова за счет возникновения ковалентных дисульфидных связей, гидрофобных взаимодействий, ионных и водородных связей между радикалами аминокислот.

Гидрофобные радикалы аминокислот имеют тенденцию к объединению внутри глобулярной структуры белков с помощью так называемых гидрофобных взаимодействий, образуя плотное гидрофобное ядро. Гидрофильные ионизированные и неионизированные радикалы аминокислот в основном расположены на поверхности белка и определяют его растворимость в воде.

Гидрофильные аминокислоты, оказавшиеся внутри гидрофобного ядра, могут взаимодействовать друг с другом с помощью ионных и водородных связей.

Ионные, водородные и гидрофобные связи относятся к числу слабых. Конформация белка поддерживается за счет возникновения множества таких слабых связей. Белки обладают конформационной лабильностью – способностью к небольшим изменениям конформации за счет разрыва одних и образования других слабых связей.

Третичная структура некоторых белков стабилизирована дисульфидными связями. Их наличие характерно для секретируемых клеткой белков (например, инсулина, иммуноглобулинов) и не свойственно для большинства внутриклеточных белков.

На характер межрадикальных взаимодействий и третичную структуру белка оказывают влияние особенности вторичной структуры.

По наличию в своем составе α-спиралей и β-структур глобулярные белки разделяют на четыре категории:

· белки, имеющие только α-спирали (например миоглобин);

· белки, имеющие только β-структуру (например иммуноглобулины, фермент супероксиддисмутаза);

· белки, имеющие α-спирали и β-структуры (например гемоглобин);

· белки, имеющие лишь незначительное количество α-спиралей и β-структур (например небольшие богатые цистеином белки или металлопротеины).

Многие белки могут почти беспрепятственно переходить из одной конформации в другую.

Длинные полипептидные цепи часто складываются в несколько компактных, относительно независимых областей, отвечающих за выполнение определенной функции белка. Они имеют самостоятельную третичную структуру и называются доменами. Домены – это сравнительно небольшие глобулярные образования, состоящие из участков полипептидной цепи (некоторые стабильные комбинации a-спиралей и b-слоев) длиной 150 аминокислот или менее. Многие глобулярные белки состоят из нескольких различных доменов массой 10–20 кДа. В белках большой молекулярной массы отдельные домены соединяются между собой относительно гибкими участками полипептидной цепи. Благодаря доменной структуре белков легче формируется их трехмерная структура.

Белки, содержащие несколько полипептидных цепей, обладают еще одним уровнем структурной организации – четвертичной структурой. Это способ укладки в пространстве нескольких полипептидных цепей, обладающих первичной, вторичной и третичной структурами, с формированием единого макромолекулярного образования для выполнения определенной функции. Четвертичную структуру имеют белки с молекулярной массой более 50 000 Да.

Белки, состоящие более чем из одной полипептидной цепи, называются олигомерными белками, а отдельные полипептидные цепи, из которых они состоят – протомерами, или субъединицами. Другими словами, количество и порядок соединения протомеров в олигомерном белке называется четвертичной структурой белка.

Протомеры в олигомерном белке связаны слабыми нековалентными связями – гидрофобными, ионными, водородными. Взаимодействие протомеров осуществляется благодаря комплементарности их контактирующих поверхностей.

Количество протомеров в белках может сильно варьировать: В наиболее мелких олигомерных белках их число колеблется в пределах от 2 до 12, а в более крупных составляет несколько десятков или сотен. Например, гемоглобин содержит 4 протомера, а белок вируса табачной мозаики – 2120 протомеров.

Кроме того, в состав олигомерных белков могут входить одинаковые или разные протомеры. Так, молекула гемоглобина А₁ (HbA₁) построена из двух идентичных цепей одного типа (α-спирали) и двух идентичных цепей другого типа (β-структуры).

Следует отметить, что у олигомерных белков появляется новое по сравнению с одноцепочечными белками свойство – способность к аллостерической регуляции своей активности.

Большинство белковых молекул сохраняют свою биологическую активность только в пределах очень узкой области температуры и рН. Денатурация белков – это разрушение их нативной конформации (третичной и частично вторичной структур), вызванное разрывом дисульфидных и слабых нековалентных связей (водородных, ионных, гидрофобных), при действии денатурирующих агентов. Денатурация сопровождается потерей биологической активности белка. При денатурации белков не происходит разрушения их первичной структуры, однако разрушается уникальная трехмерная структура белка, и белок переходит в разупорядоченное состояние, приобретая случайную конформацию, где уже почти нет ни a-спиралей, ни β-структур или других типов регулярной структуры.

Денатурацию белков вызывают физические (высокая температура (выше 50–60°С), действие ультразвука, ионизирующих излучений) и химические факторы (сильные кислоты и щелочи, органические растворители, фенол, хлорамин, соли тяжелых металлов, мочевина, додецилсульфат натрия и др.). Для глобулярных белков проявлением денатурации является уменьшение их растворимости. При этом гидрофобные радикалы, находящиеся в гидрофобном ядре, оказываются на поверхности молекулы, тем самым создаются условия для агрегации белков. Агрегаты белков выпадают в осадок.

Денатурация во многих случаях обратима, т. е. после удаления денатурирующего агента восстанавливается нативная структура белковой молекулы и исходная биологическая активность белка. Это явление называется ренатурацией белка.

При необратимой денатурации денатурированный белок не способен восстановить свою нативную структуру и биологические свойства.

Таким образом, нативная конформация белковой молекулы определяется ее аминокислотной последовательностью. Формирование пространственных структур белка осуществляется путем самосборки – самопроизвольного процесса, при котором полипептидная цепь стремится принять в растворе наиболее стабильную конформацию, т. е. с наименьшей свободной энергией.