Строение белка. Уровни структурной организации молекулы белка

Белки – высокомолекулярные соединения (ВМС), полипептиды, образованные путем сополимеризации 20 протеиногенных аминокислот (АК).

Белок - основа жизни, главная молекула жизни. Если ДНК является своеобразным информационным чертежом (програмным обеспечением) организма, то белок - это и материал и средство (аппаратное обеспечение), при помощи которого по этому чертежу построен организм. С химической точки зрения белки являются самыми сложными из известных молекул. С современных позиций белок представляет собой машину - жесткий автомат, являющийся пределом делимости живого.

На пути дезинтеграции организма: белок является последней стадией, при которой еще сохраняются свойства живого, т.к. потеря его структурной организации (денатурация) сопровождается исчезновением всех признаков жизни.

История химии белка

История химии белка начинается с выделения Якопом Баккари в 1728 году первого препарата белковой природы из пшеничной муки названного им клейковиной. Химия того времени была преимущественно неорганической и биологические вещества редко становились объектом исследования, поэтому лишь к началу ХIХ века расширился список исследуемых белковых веществ.

Термин «белок» как название группы родственных веществ был впервые употреблен Й. Жакеном в 1793 г. С начала ХIХ века исследуются не только общие свойства белков (способность к коагуляции и осаждению (высаливанию), клейкость, эластичностью, вязкость, набухание и др.), но и некоторые химические свойства.

Введение в химическую науку А.Лавуазье количественного метода ускорило исследование элементного состава белка. Первые работы посвященные количественному определению элементного состава растительных и животных белков подтвердили предположение об их химическом единстве, которое было получено ранее на основании описательного изучения этих веществ.

В первой половине ХIХ века были сделаны робкие и малоудачные попытки химического обоснования жизненных процессов и открытое к тому времени явление ферментативного катализа никак не ассоциировалось с функцией белков.

Исследованиями второй половины ХIХ века, на основании экспериментов по гидролитическому, главным образом ферментативному расщеплению, установлено, что белки являются полимерами (Ф. Гоппе-Зайлер, А. Хеннингер, А. Вюрц, Р. Харт). Создание теории химического строения молекул к тому времени определило появление структурных гипотез строения белка (П. Шютценберже, А.Я. Данилевский, А. Коссель), согласно которым роль главным структурным элементом белковой молекулы отводилась АК. Эти работы способствовали открытию ряда новых АК, разработке методов цветных качественных реакций на белки. Кроме того впервые предпринято физиологическое изучение белков, предложены различные схемы расщепления белков в организме под действием пищеварительных ферментов. Рассмотрена роль пепсина и трипсина в переваривании белка.

Блестящие работы М. Бертло и Э. Фишера по синтезу соответственно липидов и углеводов стимулировали исследования в области синтеза белков, однако они не имели успеха, поскольку не было реального представления о химической природе белков.

Более глубокое проникновение в биологию методов химии, физики и физической химии (высаливание, кристаллизация, диализ и др.) в конце ХIХ века, становление современной биофизики, существенно продвинуло исследование белков. Первыми важными достижениями в этой области было определение криоскопическим методов молекулярной массы альбумина яйца (А.П. Сабанеев 1891), методом осмотического давления молекулярной массы гемоглобина (Э.Рейд, 1905). Хотя результаты этих исследований были далеки от истины, тем не менее, они подготовили новый этап в изучении белков, связанный главным образом с именем немецкого ученого Эмиля Фишера (1852 - 1919).

Э. Фишер предложил эвристическую идею, включившую в себя четыре постулата:

1. Белки состоят только из a-АК. Из всей массы продуктов расщепления белков аминокислоты являются главными составляющими, а все остальные соединения относятся к вторичным продуктам.

2. АК входящие в состав белков относятся к L ряду.

3. Белковая молекула представляет собой линейный полимер.

4. a-АК образуют линейный полимер путем образования пептидной связи между карбоксильной группой одной АК и аминогруппой - другой.

Данные постулаты легли в основу обширной программы исследования, реализация которой привела к синтезу Э. Фишером 125 пептидов, представленных, главным образом, полимерами состоящими из 5- 18 остатков. Эти работы на протяжении двух десятилетий после смерти Э. Фишера никто не мог воспроизвести, а его коллекцию очень долго использовали особенно физики в рентгеноструктурных исследованиях пептидов.

На протяжении более 30 лет теория Фишера подвергалась многократным ревизиям и проверкам, в связи с чем предлагались альтернативные теории основанные на идее циклического строения пептидов.

Представления о полипептидном строении белков прочно утвердилось лишь только к 40-м годам. Этому в немалой степени способствовало развитие химии макромолекул (Г. Штаудингер) и возникновением квантовой механики, обосновавших, казавшихся неверояным возможность образования компактных детерминированных структур из нитевидных полимерных белковых цепей. Эти обстоятельства, а также развитие рентгеноструктурного метода анализа, по существу, подготовили почву для исследования пространственного строения белков.

В 1952 г. К. Линдерштрем-Ланг предложил первую классификацию белков основанную на принципе пространственной организации белковой молекулы. Хотя эта классификация является общепринятой, необходимо отметить, что, по существу, есть два типа структур: линейная и пространственная.