Состав и строение белков

Определения и обозначения

Аминокислота — мономер белка, то есть небольшая молекула, из повторяющихся звеньев которой строится белковая цепь. В её составе есть общая для аминокислот часть и боковая группа, которая может различаться. Именно боковые группы делают аминокислоты неодинаковыми по свойствам. Это различие помогает понять, почему белки, собранные из разных наборов аминокислот, имеют разные особенности.

Пептидная связь — связь между остатками аминокислот, возникающая при их соединении. При образовании такой связи от молекул отщепляется вода, а остатки оказываются связанными в одну цепь. Поэтому, говоря о белке, важно представлять не просто набор аминокислот, а соединённые между собой звенья. Пептидные связи формируют основу полипептидной цепи.

Первичная структура белка — последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи. Иначе говоря, это порядок звеньев от начала цепи до её конца, а не её форма в пространстве. Даже замена или перестановка звеньев означает другую последовательность. Знание этого порядка нужно, чтобы объяснить, как цепь может сворачиваться и приобретать определённые свойства.

Уровни организации белка — первичная, вторичная, третичная и, у некоторых белков, четвертичная структуры. Они описывают разные стороны строения: от порядка звеньев до формы одной или нескольких цепей. Это не четыре обязательные ступени для каждого белка: четвертичный уровень возникает лишь при объединении цепей. Такое деление помогает точно указать, какое именно строение обсуждается.

Как это устроено

Белки состоят из аминокислот, содержащих углерод, водород, кислород и азот; в некоторых белках присутствует также сера. Причина разнообразия белков — не только в наборе этих элементов, но и в том, как устроены боковые группы аминокислот. Общая часть позволяет звеньям соединяться в цепь, а различающиеся боковые группы придают им неодинаковые свойства. Фосфор может встречаться в отдельных белках или связанных с ними группах, но его не относят к обязательным основным элементам всех белков.

Аминокислоты соединяются в полипептидную цепь пептидными связями. При соединении от одной аминокислоты отделяется часть, содержащая гидроксильную группу, а от другой — атом водорода; вместе они образуют молекулу воды. Оставшиеся части — аминокислотные остатки — связываются друг с другом. Поэтому длинная цепь представляет собой повторяющуюся основу с боковыми группами, а её звенья расположены в определённом порядке.

Порядок аминокислот в цепи называют первичной структурой. Он важен потому, что свойства боковых групп влияют на то, как разные участки цепи взаимодействуют между собой и с окружающей средой. Из-за этого последовательность задаёт возможности дальнейшего сворачивания молекулы. Если порядок звеньев изменится, первичная структура уже будет иной, и это может изменить последующую пространственную форму белка.

Вторичная структура появляется, когда отдельные участки полипептидной цепи укладываются в повторяющиеся формы: спираль или складчатый участок. Такое укладывание удерживается связями между частями цепи, прежде всего водородными связями. Они возникают между подходящими участками молекулы и помогают закрепить локальную форму. Вторичная структура описывает не весь итоговый объёмный вид белка, а то, как устроены отдельные части его цепи.

Когда цепь сворачивается целиком и приобретает определённую пространственную форму, возникает третичная структура. Её поддерживают взаимодействия между боковыми группами и другими участками молекулы, поэтому форма зависит от состава и последовательности цепи. Если в белке объединяются несколько полипептидных цепей, их общий комплекс имеет четвертичную структуру. Она есть не у всех белков: одной цепи достаточно для образования белка с первичной, вторичной и третичной организацией.

Уровни организации белка

Пользуйся таблицей, начиная с вопроса: нужно описать порядок аминокислот, укладывание участка, форму одной цепи или объединение цепей? Затем проверь, какая часть молекулы рассматривается и чем удерживается её строение. Так проще отличить третичную структуру от четвертичной.

Разбор задач

Задача 1. Элементы в составе белков

Условие: укажите, какие элементы входят в состав белков: углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера. Нужно отделить основные элементы белка от тех, которые присутствуют не во всех случаях. Не следует считать, что каждый белок обязан содержать все перечисленные элементы.

1. Вспомним состав аминокислот: для белков характерны углерод, водород, кислород и азот.
2. Уточним, что сера встречается в составе некоторых белков, поэтому её тоже нужно отметить как возможный элемент.
3. Фосфор не относится к основным обязательным элементам белков; он может входить в отдельные белки или связанные с ними группы.

Ответ: основные элементы белков — углерод, водород, кислород и азот; некоторые белки содержат серу. Фосфор может встречаться в отдельных случаях, но не является обязательной частью каждого белка. Проверка: мы не приписали один и тот же состав всем белкам.

Задача 2. Перестановка аминокислот

Условие: аминокислоты в цепи расположены в порядке А–Б–В. Определите, какое свойство структуры изменится, если Б и В поменять местами. Буквы обозначают разные аминокислотные остатки. Нужно назвать уровень, который непосредственно описывает их порядок.

1. Запишем исходную последовательность: А–Б–В. Это порядок звеньев в цепи.
2. После перестановки получим А–В–Б. Набор букв тот же, но их расположение стало другим.
3. Поскольку первичная структура определяется последовательностью остатков, именно она изменится. Возможные изменения сворачивания — дальнейшее следствие, а не прямой ответ на вопрос.

Ответ: изменится первичная структура белка. Проверяя себя, сравни порядок остатков до и после перестановки: если он другой, последовательность уже не та же. Вторичная и третичная структуры могут также измениться, но это нельзя утверждать как неизбежный результат без дополнительных сведений.

Задача 3. Несколько цепей в одной молекуле

Условие: в составе белка обнаружены четыре полипептидные цепи, объединённые в одну молекулу. Определите уровень структуры и объясните его отличие от третичного. Важно не принять число цепей за описание формы одной цепи. Нужно установить, рассматривается отдельная цепь или их общий комплекс.

1. Сначала отмечаем, что речь идёт не об одной цепи, а о четырёх.
2. Затем смотрим на слово «объединённые»: цепи образуют общую молекулу, значит, описывается их взаимное расположение.
3. Объединение нескольких цепей соответствует четвертичной структуре. Третичная структура характеризует пространственную форму одной полипептидной цепи.

Ответ: это четвертичная структура. Она описывает объединение нескольких полипептидных цепей в одну молекулу, тогда как третичная — сворачивание отдельной цепи. Проверка проста: если указано несколько цепей, ищи четвертичный уровень; если одна цепь — третичный.

Типичные ошибки

Ошибка — называть аминокислоты просто частями готового белка, не учитывая их порядок. Её допускают, потому что сначала запоминают состав, а не способ организации цепи. Но белок — не случайный набор звеньев: остатки соединены в определённой последовательности. Проверка: можешь ли ты назвать, какие именно звенья идут друг за другом?

Ошибка — считать, что пептидная связь соединяет любые участки одной цепи. Так бывает, когда смешивают связи, удерживающие пространственную форму, с соединением аминокислотных остатков. Пептидная связь образуется между остатками и создаёт основу полипептидной цепи. Проверка: если речь идёт о присоединении аминокислоты к цепи, подходит термин «пептидная связь».

Ошибка — путать первичную и вторичную структуры. Обе относятся к одной цепи, поэтому различие иногда упускают. Первичная структура показывает последовательность звеньев, а вторичная — локальное пространственное укладывание цепи в спираль или складчатый участок. Проверка: спроси себя, описан порядок аминокислот или форма участка молекулы.

Ошибка — считать четвертичную структуру обязательной для любого белка. Такое представление возникает, если уровни запоминают как непременные ступени для каждой молекулы. На самом деле четвертичная структура появляется лишь при объединении нескольких полипептидных цепей. Проверка: установи, сколько цепей входит в состав белка; одна цепь не образует четвертичную структуру.

Связь с другими темами

Для изучения строения белков нужно знать, что органические вещества состоят из атомов и молекул, а химические связи соединяют атомы и части молекул. Эти знания помогают понять, из чего построена аминокислота и как остатки соединяются в цепь. Далее строение белков пригодится при изучении их свойств и функций в клетке. На примере денатурации можно проследить, как нарушение пространственной организации влияет на свойства молекулы и её работу.

Что запомнить

• Белки — полимеры, построенные из аминокислот.
• Аминокислоты различаются боковыми группами.
• Аминокислотные остатки в цепи соединены пептидными связями.
• Первичная структура — последовательность аминокислот.
• Вторичная и третичная структуры описывают пространственное укладывание цепи.
• Четвертичная структура объединяет несколько полипептидных цепей и есть не у всех белков.