Скелет белковой молекулы

Ученые умеют определять первичные структуры очень сложных белковых молекул. Научились химики и синтезировать белок искусственно. Для этого цепь постепенно наращивают на одну аминокислоту, пока не получат всю молекулу. В молекуле любого белка четко различается «скелет», в стороны от которого торчат группы К. Мы о них уже говорили и поговорим еще, но пока что они нас интересовать не будут. Присмотримся внимательно к скелету белковой молекулы. Он выглядит очень правильным, даже нудным.

Но оказывается, эта «нудность» в чередовании отдельных звеньев весьма полезна. Дело в том, что атомы водорода аминогрупп 1ЧН завязывают так называемые водородные связи с атомами кислорода карбонильных групп С = О (на рисунке внизу водородная связь показана вертикальной прерывистой полоской). Причем атом водорода каждой группы N4 выбирает себе группу С = О из аминокислотного остатка, стоящего от него четвертым по счету. Это как в строю: каждый солдат должен видеть грудь четвертого соседа.

[smszamok]

В результате вся длинная цепь аминокислот укладывается в не менее стройное, чем воинская шеренга, образование — в правильную спираль, во все стороны от которой торчат группы К. Такая спираль называется вторичной структурой белка. Молекулы почти всех белков свернуты в спираль. Вот теперь пришло время вспомнить о боковых группах К. Одни аминокислоты содержат в заместителе К аминогруппы, другие (например, глутамин) несут карбоксил СООН, а аминокислота аспарагия в качестве радикала К имеет группировку, содержащую и амин и карбонил: СН2СОЫН2. Разумеется, такие разнообразные группы взаимодействуют друг с другом, притягиваются посредством образования водородных связей. А это значит, что спиралевидная молекула укладывается еще и в клубок. Но клубок получается не «какой попало», а по строго продуманному плану. Ради сравнения здесь можно обратить внимание читателя на тот порядок, в котором на швейной фабрике укладывается каждая рубашка, отправляемая в магазин на продажу. Рубашку в таком упорядоченном состоянии поддерживают булавки, а молекулу белка — водородные связи. Так возникает третичная структура белка. Если в белковой молекуле заменить лишь одну группу К, третичная структура изменится и получится совсем другой белок.

Это еще не все. Несколько клубков белковых молекул могут соединяться вместе, образуя четвертичную структуру. Именко так обстоит дело, например, с молекулой гемоглобина.

Все четыре структуры белка можно очень грубо «промоделировать». Возьмите гладкую длинную проволоку — это первичная структура белковой молекулы (а). Теперь изогните эту проволоку в спираль (как спираль для электроплитки) — вы получили вторичную структуру (б). Скомкайте спираль в запутанный клубок — это третичная структура (в). Соедините вместе несколько таких клубков, и вы «синтезируете» белок, так сказать, в самом естественном виде (г). Оказывается, только молекула, обладающая третичной или четвертичной структурой, может «работать» в организме. Однако такую структуру нетрудно разрушить. Соответствующий опыт лучше всего проводить во время завтрака. Возьмите свежее куриное яйцо и положите его на несколько минут в кипящую воду. Теперь разбейте скорлупу, посыпьте сварившийся вкрутую белок солью и отправьте его в рот. Тщательное разжевывание вкусного пищевого продукта можно совместить с раздумьями на тему: что же произошло с прозрачным, жидким, растворимым в воде белком куриного яйца? Почему он превратился в твердое, белое, не растворимое в воде вещество? Оказывается, при нагревании рвутся водородные связи между группами, удерживающими белковую молекулу в форме компактного клубка. Третичная структура нарушается. Что получается в результате, поможет понять построенная нами выше «проволочная аналогия». Представьте, что каждый из сцепленных друг с другом клубков

стал распутываться независимо от других. Тогда спирали станут переплетаться. И вместо мозаики более или менее обособленных комочков возникнет почти что слитная масса. После этого нетрудно сообразить, к чему приведет подобный процесс, если он происходит с белком: белок, длиннющие молекулы которого стали расправляться и в итоге переплелись друг с другом, конечно, не станет растворяться Разрушение третичной структуры (или, как принято говорить, денатурацию белка) можно провести и другими способами. Прибавьте к водному раствору яичного белка спирт или ацетон — раствор помутнеет. Денатурация еще не произошла, просто белок выпал в осадок (достаточно добавить воды, и он снова перейдет в раствор). Но вот если этот осадок постоит некоторое время, третичная структура будет потеряна навсегда. А при действии на белок концентрированной серной или соляной кислоты наблюдается обратная картина — выпавший осадок постепенно растворяется. Дело тут в том, что под действием кислоты белок расщепляется на отдельные аминокислоты, которые переходят в раствор.

Аминокислоты — необходимые составные части белков. Но не единственные. В некоторых белках (только в некоторых) аминокислотный белковый остаток связан с небелковой частью. Так, в мышечной ткани присутствует белок миоглобин, небелковой частью которого служит гем. В геме атом железа зажат в кольцо из азотных и углеродных атомов.

СН=СНг СНз
СНгСНгСООН СН2СН2срОН

Возьмите немного нежирного мясного фарша и залейте его в стакане разбавленным раствором аммиака (то есть нашатырным спиртом, разведенным в несколько раз водой). Через некоторое время жидкость окрасится в красный цвет от перешедшего в раствор миоглобина. Если к части такого раствора добавить несколько капель концентрированной соляной кислоты и нагреть смесь в кастрюле с горячей водой, то выделяется небелковая часть молекулы и жидкость окрашивается в коричневый цвет. Другой пример сложного белка — все тот же гемоглобин. Как и миоглобин, это соединение в качестве небелковой группы содержит гем. Но, в отличие от миоглобина, в молекуле которого одна белковая часть соединена с гемом, гемоглобин состоит из четырех субъединиц, каждая из которых включает гем (на рисунке он покрыт точками). Железо гема обладает свойством присоединять молекулу кислорода (этот процесс происходит в легких) и отдавать ее в различных органах. Таким образом, гемоглобин — это переносчик кислорода по организму.

Кислород, как известно, необходим для окисления в клетках организма углеводов (то есть в конечном счете глюкозы). В результате этого процесса организм получает энергию. Углеводы поступают с пищей. Но углеводы, а также жиры не единственные составные части пищи. Очень существенный компонент нашей еды — белки. В желудке поступившие с пищей белки расщепляются на отдельные небольшие «куски», которые в кишечнике разрушаются до аминокислот. Отсюда эти соединения всасываются кровью, которая и разносит их по всем клеткам организма. Аминокислоты в клетках вновь собираются в белки, но уже в другие, нужные именно этим клеткам.

Некоторые аминокислоты (например, ва-лин, лейцин, лизин) обязательно должны содержаться в пище. Это так называемые незаменимые аминокислоты. Ежедневно их должно поступать в организм с пищей около 30 граммов. Другие же аминокислоты (аланин, аспарагин, глутамин) не обязательно должны присутствовать в еде — в крайнем случае организм сможет их сам синтезировать.

[/smszamok]

Белки не только кормят нас, но и одевают. Действительно, ведь и шерсть, и шелк, и кожа — это белковые материалы. Некоторые синтетические материалы — капрон, нейлон — родственники белков: элементарными звеньями в этих полимерах служат аминокислоты. Только в таких аминокислотах амин и карбоксил разделены не одной группой СН, как в белках, а несколькими. И в отличие от белков структура длинной молекулы синтетического полимера весьма однообразна.