§ 3. Белки. Строение белков

Определения и обозначения

Белок — биополимер, молекула которого состоит из аминокислотных остатков. Остатком называют часть аминокислоты, вошедшую в цепь при соединении с другими такими частями. Это определение показывает, что белок одновременно является крупной молекулой и имеет определённый состав: типы и порядок остатков влияют на его строение.

Аминокислота — органическое соединение, из остатков которого построены белки. В общей части её молекулы находятся аминогруппа и карбоксильная группа, а также атом водорода, связанные с центральным атомом углерода. Боковая группа у разных аминокислот различается, поэтому меняются их свойства и способы взаимодействия в белке.

Пептидная связь — связь между аминокислотными остатками в полипептидной цепи. Она образуется между карбоксильной группой одной аминокислоты и аминогруппой другой. Благодаря этой связи отдельные аминокислоты соединяются в длинную последовательность, которая служит основой молекулы белка.

Уровни организации белка — уровни упорядочения его молекулы: первичная, вторичная, третичная и, у некоторых белков, четвертичная структура. Они описывают путь от последовательности остатков к пространственной форме одной цепи или комплекса цепей. Различение уровней помогает точно назвать, какое именно изменение строения обсуждается.

Как это устроено

Боковые группы аминокислот различаются по строению и свойствам: одни взаимодействуют с водой, другие избегают её, а некоторые способны образовывать особые связи. Поэтому соседство конкретных остатков влияет на то, как участки цепи притягиваются или отталкиваются. Именно разнообразие боковых групп позволяет белкам принимать разные формы и выполнять разные задачи, даже если число типов аминокислот ограничено.

Когда аминокислоты соединяются пептидными связями, получается непрерывная цепь, но звенья в ней могут располагаться в разном порядке. Последовательность задаёт, какие боковые группы окажутся рядом и какие взаимодействия между ними станут возможны. Поэтому порядок остатков и есть первичная структура: без него нельзя объяснить дальнейшее складывание белка.

Некоторые участки цепи складываются регулярно, например в спираль или складчатую структуру. Такое складывание возникает не случайно: между частями цепи образуются водородные связи, которые помогают удерживать повторяющуюся форму. Эти локальные участки образуют вторичную структуру, однако сами по себе ещё не описывают всю объёмную форму белка.

Затем цепь может свернуться дальше, сближая участки, которые далеко отстоят друг от друга в последовательности. В результате возникает третичная структура — пространственная форма одной полипептидной цепи. Её стабилизируют различные взаимодействия между участками молекулы, в том числе водородные и ионные связи, а также дисульфидные связи, возникающие между отдельными частями белка.

У некоторых белков одной цепи недостаточно для образования действующей молекулы, поэтому несколько цепей объединяются в общий комплекс. Их взаимное расположение образует четвертичную структуру. Она отличается от третичной тем, что описывает отношения между отдельными полипептидными цепями, а не сворачивание одной цепи.

Уровни организации белка

При разборе описания сначала выясните, говорится ли о последовательности, форме участков, сворачивании одной цепи или объединении нескольких цепей. Затем сопоставьте признак с нужной строкой таблицы. Так проще не спутать похожие термины и указать конкретный уровень организации.

Разбор задач

Задача 1. Объясните, почему два белка, состоящие из одинакового набора аминокислот, могут различаться. Нужно выяснить, означает ли одинаковый набор одинаковое строение молекул. Для этого сравним не только виды аминокислот, но и их порядок в цепи.

1. Одинаковый набор показывает, какие типы аминокислот присутствуют, но не сообщает, сколько раз они встречаются и в каком порядке расположены. Поэтому две цепи могут иметь разную первичную структуру. Само наличие одинаковых видов звеньев ещё не делает молекулы одинаковыми.
2. Если остатки расположены иначе, их боковые группы оказываются в других соседствах. Это меняет взаимодействия между участками и может привести к иному сворачиванию цепи. Следовательно, различаются пространственная форма и свойства белков.

Ответ. Белки с одинаковым набором аминокислот могут отличаться последовательностью и количеством остатков. Это влияет на сворачивание и форму белка, поэтому могут различаться и его свойства.

Задача 2. Участок полипептидной цепи свернулся в спираль. Определите уровень структуры и назовите взаимодействия, поддерживающие его. В условии описан отдельный регулярный участок, а не вся объёмная форма одной цепи. Это позволяет отличить локальное складывание от следующего уровня организации.

1. Спираль — один из вариантов регулярного складывания участка цепи. Такое описание соответствует вторичной структуре белка. Третичную структуру называли бы при описании объёмной формы всей одной цепи.
2. Водородные связи между участками помогают сохранять спиральную форму. Поэтому в ответе нужно назвать и уровень, и поддерживающее его взаимодействие. Не следует подменять их связями, относящимися к другим особенностям белка.

Ответ. Это вторичная структура. Спираль поддерживают водородные связи между участками полипептидной цепи.

Задача 3. В белке обнаружены четыре связанные полипептидные цепи. Определите уровень структуры, который описывает их объединение, и объясните отличие от третичной структуры. Число цепей здесь важно: речь идёт не о том, как свернулась одна цепь, а о нескольких отдельных цепях. Сначала установим, что именно объединено, а затем назовём соответствующий уровень.

1. Если в общей молекуле присутствуют несколько полипептидных цепей, их объединение и взаимное расположение относятся к четвертичной структуре. Число четыре не меняет принципа: достаточно самого факта объединения нескольких цепей. Следовательно, искомый уровень — четвертичный.
2. Третичная структура описывает сворачивание одной цепи в пространстве. Четвертичная описывает, как несколько уже сформированных цепей взаимодействуют и располагаются друг относительно друга. Различие определяется числом рассматриваемых цепей.

Ответ. Объединение четырёх цепей описывает четвертичная структура. Третичная структура характеризует форму одной полипептидной цепи, а четвертичная — комплекс нескольких цепей.

Типичные ошибки

Ошибка — считать первичную структуру пространственной формой белка. Так путают уровни, потому что слово «структура» ассоциируется с объёмным объектом. Проверьте себя: если описан только порядок аминокислотных остатков, речь идёт о первичной структуре, а не о форме молекулы.

Ошибка — называть спираль третичной структурой, а объёмное сворачивание одной цепи — вторичной. Это происходит, когда оба понятия воспринимают просто как «складывание». Для проверки спросите, описан ли регулярный участок или форма всей цепи: спираль и складчатая форма относятся ко вторичной структуре, объёмная форма цепи — к третичной.

Ошибка — считать, что четвертичная структура есть у каждого белка. Её путают с очередным обязательным этапом сворачивания, хотя она появляется только при объединении нескольких полипептидных цепей. Проверьте, сколько цепей образуют рассматриваемую молекулу: если одна, четвертичного уровня нет.

Ошибка — полагать, что разные белки обязательно построены из разных аминокислот. Такое предположение смешивает набор типов аминокислот с их последовательностью и количеством. Сравните порядок остатков: даже при одинаковом наборе они могут располагаться по-разному, а это влияет на форму белка.

Связь с другими темами

Для понимания строения белков нужны знания о клетке, органических веществах и различии между мономером и полимером. Аминокислоты выступают звеньями, а их цепь образует крупную молекулу. Эти представления помогают связать строение вещества с его ролью в клетке.

Знание уровней организации пригодится при изучении функций белков и ферментов. Форма молекулы связана с тем, как она взаимодействует с другими веществами, поэтому строение помогает объяснять свойства белка. Так можно перейти от описания состава к пониманию работы молекулы.

Представления о пространственной форме нужны и для изучения денатурации — изменения структуры белка под действием условий среды. Если форма нарушается, свойства белка и его способность выполнять свою задачу могут измениться. Поэтому уровни организации помогают понять, почему температура и другие факторы влияют на работу белковых молекул.

Что запомнить

• Белки построены из аминокислотных остатков.
• Порядок аминокислотных остатков задаёт первичную структуру.
• Вторичная структура включает спиральные и складчатые участки цепи.
• Третичная структура — пространственное сворачивание одной полипептидной цепи.
• Четвертичная структура образуется при объединении нескольких цепей.
• Форма белка связана с его аминокислотной последовательностью.