§ 7. Белки. Состав и строение белков

Определения и обозначения

Белок — высокомолекулярное органическое соединение, построенное из остатков аминокислот и выполняющее определённые биологические функции. Белки входят в состав клеток и могут быть ферментами, переносчиками, защитными или структурными веществами. Это определение помогает связать состав белка с его ролью в организме.

Аминокислота — органическое соединение, содержащее аминогруппу, карбоксильную группу и боковой радикал, определяющий её свойства. Аминогруппа обычно обозначается как –NH₂, а карбоксильная группа — как –COOH. Различия радикалов объясняют разнообразие аминокислот и белков.

Пептидная связь — ковалентная связь между карбоксильной группой одной аминокислоты и аминогруппой другой с выделением воды. Она соединяет аминокислотные остатки в прочную полипептидную цепь. Поэтому по числу таких связей можно судить о длине линейной цепи.

Уровень организации белка — определённый этап пространственного строения полипептидной цепи: первичный, вторичный, третичный или четвертичный. Эти уровни описывают не разные вещества, а последовательные способы организации одной белковой молекулы. Их различение помогает понять, как строение связано с функцией.

Как это устроено

Белки относят к биополимерам, потому что их молекулы состоят из длинных цепей повторяющихся звеньев — аминокислотных остатков. Остатки могут различаться по свойствам, но соединяются в цепь одинаковым типом связи. Поэтому белок подобен полимеру, хотя его звенья не обязательно одинаковы, как у многих искусственных полимеров.

В составе белков обязательно присутствуют углерод, водород, кислород и азот, поскольку эти элементы входят в аминокислотные группы и радикалы. В некоторых аминокислотах есть сера, поэтому она встречается и в отдельных белках. Разный химический состав радикалов влияет на заряд, растворимость и способность участков цепи взаимодействовать между собой.

Полипептидная цепь образуется при реакции конденсации. Карбоксильная группа одной аминокислоты соединяется с аминогруппой соседней, между атомами углерода и азота возникает пептидная связь, а гидроксильная группа и атом водорода образуют молекулу воды. Повторение такой реакции последовательно удлиняет цепь.

Последовательность аминокислот называют первичной структурой, потому что она задаёт исходный план всей молекулы. Свойства радикалов в этой последовательности определяют, какие участки цепи будут притягиваться, отталкиваться или избегать воды. Поэтому даже небольшое изменение первичной структуры способно повлиять на форму и функцию белка.

Сначала отдельные участки цепи образуют спирали или складчатые слои, главным образом благодаря водородным связям. Затем вся цепь сворачивается в объёмную глобулу, которую удерживают разные взаимодействия между радикалами. Если белок состоит из нескольких полипептидных цепей, они объединяются в общий комплекс, формируя четвертичную структуру.

Уровни организации белка

Таблицу удобно читать от первого уровня к последнему: каждый следующий описывает более сложную организацию. Пептидные связи образуют саму цепь, а остальные связи и взаимодействия в основном закрепляют её пространственную форму. Четвертичный уровень отмечают только тогда, когда в составе белка есть несколько отдельных цепей.

Разбор задач

Задача 1

Запишите, между какими функциональными группами двух аминокислот образуется пептидная связь, и укажите выделяющуюся молекулу. Нужно определить группы, участвующие в реакции, а затем назвать продукт отщепления. Это типичная схема конденсации аминокислот.

1. Находим карбоксильную группу –COOH у первой аминокислоты.
2. Находим аминогруппу –NH₂ у второй аминокислоты.
3. Соединение этих групп образует пептидную связь –CO–NH–, а отщепляются OH и H.

Ответ: пептидная связь возникает между карбоксильной и аминогруппой; выделяется молекула воды H₂O.

Задача 2

Полипептид состоит из 120 аминокислотных остатков. Определите число пептидных связей и молекул воды, образовавшихся при его синтезе. Предполагаем, что цепь линейная и не замкнута в кольцо. При присоединении каждого следующего остатка образуется одна новая связь и отщепляется одна молекула воды.

1. В первой позиции цепи пептидная связь ещё не образуется.
2. Для каждого из следующих 119 остатков нужна одна связь: 120 − 1 = 119.
3. Число молекул воды равно числу реакций образования пептидных связей.

Ответ: 119 пептидных связей и 119 молекул воды.

Задача 3

Объясните, почему замена одной аминокислоты в полипептидной цепи может изменить свойства белка. Требуется проследить путь от изменения состава цепи к изменению функции. Одна замена не обязательно безвредна, потому что у разных радикалов различаются заряд, размер и отношение к воде.

1. Замена изменяет последовательность аминокислот, то есть первичную структуру.
2. Новый радикал меняет взаимодействия между участками цепи и её сворачивание.
3. Изменённая пространственная форма может повлиять на активный центр, прочность или способность белка связываться с другими веществами.

Ответ: замена одной аминокислоты иногда меняет пространственную форму белка, поэтому его свойства и функция могут нарушиться.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Белок считают цепью свободных аминокислот. Так рассуждают, потому что забывают: после реакции в цепи остаются аминокислотные остатки, соединённые пептидными связями. Проверьте себя: укажите связь между соседними остатками и наличие основной полипептидной цепи.

Ошибка 2. Пептидную связь путают с водородной или дисульфидной. Пептидная связь создаёт основную цепь, а другие связи и взаимодействия закрепляют её пространственную форму. Проверьте ответ вопросом: соединяет ли названная связь соседние аминокислоты или стабилизирует уже свернувшуюся цепь?

Ошибка 3. Вторичную структуру объясняют только последовательностью аминокислот. Последовательность действительно влияет на сворачивание, но спираль и складчатый слой формируются благодаря водородным связям между участками цепи. Проверьте, назвали ли вы и исходную последовательность, и взаимодействие, создающее форму.

Ошибка 4. Считают, что любой белок имеет четвертичную структуру. Этот уровень возникает только у белков из нескольких полипептидных субъединиц. Проверьте сначала, одна цепь образует молекулу или несколько цепей объединяются в комплекс.

Связь с другими темами

До изучения белков нужны знания о строении органических соединений, функциональных группах, ковалентной связи и реакции конденсации. Они помогают понять, какие части аминокислот участвуют в образовании цепи и почему выделяется вода.

Тема пригодится при изучении ферментов и денатурации: функция зависит от пространственной формы белка, а её нарушение меняет активность. Она также связана с генетическим кодом, который задаёт последовательность аминокислот в полипептиде.

Связь с химией проявляется в зависимости свойств белка от аминокислотного состава и боковых радикалов. Заряд, растворимость и способность радикалов взаимодействовать определяют сворачивание и устойчивость молекулы.

Что запомнить

• Белки — биополимеры, мономерами которых являются аминокислотные остатки.
• Основные элементы белков — углерод, водород, кислород и азот; многие белки содержат серу.
• Пептидная связь образуется между карбоксильной и аминогруппами с выделением воды.
• Последовательность аминокислот образует первичную структуру белка.
• Вторичная структура включает спираль и складчатый слой.
• Третичная структура — пространственная укладка одной полипептидной цепи.
• Четвертичная структура образуется при объединении нескольких полипептидных цепей.