Анализируя результаты работы генов, экспрессирующихся с образованием различных по своему назначению и функциям белков, приходишь к заключению: в живой природе нет ничего более удивительного, чем протеины (разумеется, после главной молекулы жизни — молекулы ДНК).
Как сказано в главе 1, протеины изучаются около 200 лет. Еще в начале XIX в. химики назвали так определенные специфические вещества (от греческого «proteios» — «удерживающий первое место»). В России их нарекли белками в связи с белым цветом альбумина куриных яиц (один из самых распространенных протеинов) при его свертывании под влиянием высокой температуры.
Именно белкам принадлежит всеобъемлющая роль в молекулярной жизни клетки и организма, зависящей от производства
и функционирования огромного числа белков. Их молекулы с невероятной точностью «узнают» другие молекулы (белковой и небелковой природы) и вступают во взаимодействие с ними в ходе онтогенеза.
Особое значение имеет полиморфизм белков, основанный на генетическом полиморфизме, в разных вариациях обусловливающем уникальную внутреннюю и внешнюю характеристику каждой клетки и целого организма. Тот же полиморфизм делает отдельные клетки и ткани, органы и даже целые системы многоклеточного организма более склонными к определенным болезням. Подобная склонность неизбежно прослеживается на уровне белков в виде их дефектов, возникших в ходе трансляции генетической информации, модификации белковых молекул и нарушений их взаимодействия при наследственных и врожденных заболеваниях.
Общая характеристика
Белки — главный строительный материал для клеток, тканей, органов и систем организма.
По теоретическим расчетам, организм человека состоит из 1015 клеток, формирующих 264 типа тканей, построенных из 350-400 тыс. белков, т.е. последних в 10 раз больше, чем генов, а с учетом модификаций общее количество белков в организме достигает 6 млн*.
Строение, свойства и спектр белковых молекул
Белковая молекула есть полипептидная цепь из аминокислотных остатков. Один такой остаток — одна аминокислота.
Все живые организмы используют для строительства своих белков одни и те же основные аминокислоты. Их всего 20, и только они кодируются с помощью классического генетического кода (см. главу 2).
Основные аминокислоты содержат в своей структуре общий химический компонент:
* Максимально возможному количеству синтезируемых у человека белков соответствует принцип «Cvantum satis» (столько, сколько нужно).
Они отличаются друг от друга по аминокислотным радикалам (R). Каждая аминокислота имеет полипептидный скелет (или цепь без радикалов):
— NH — СН — СО — NH — СН — СО — NH — СН — СО —
Различия аминокислот по форме, размерам и полярности позволяют использовать их в качестве основных строительных единиц («кирпичей»), чтобы удовлетворить многочисленные и жесткие требования к структурной организации белков.
В коротких цепях белков менее 80 аминокислотных остатков (пептиды). В длинных цепях белков более 80 аминокислотных остатков (полипептиды).
Самая длинная из известных полипептидных цепей у человека содержит около 5000 аминокислотных остатков, однако большинство структурных белков содержат менее 2000 аминокислотных остатков.
Аминокислотный алфавит допускает существование бесконечного множества белковых молекул (слов).
Порядок расположения аминокислот в полипептидной цепи называется аминокислотной последовательностью — это первичная структура белка.
Процедура определения такой последовательности именуется сиквенированием (так же, как определение последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК — см. главу 2).
Белок с природной укладкой полипептидной цепи — нативный белок. Белок с развернутой беспорядочной укладкой цепи — денатурированный белок. Денатурация — процесс превращения нативного белка в денатурированный.
Тепловая денатурация — общее свойство разных белков. Нагревание белка почти всегда нарушает его активность, и оно смертельно для клетки.
Каждый белок химически индивидуален (уникален) по своей первичной структуре — это основа гетерогенности белков.
Структурная (биохимическая) уникальность каждого белка обусловливает полиморфизм белков человека, его биохимическую индивидуальность.
Гетерогенность белков зависит также от активности белка (способности к денатурации), величины белкового пика, наличия антигенных детерминант и аминоконцевой последовательности.
Например, первичная структура коллагенов (см. ниже) представлена повторами аминокислотной последовательности типа глицин —
Х-Y, в которых глицин является каждой третьей аминокислотой, позицию Х занимает пролин, а позицию Y занимают, как правило, гидроксипролин или гидролизин.
Другие примеры — первичная структура мономера инсулина (рис. 15) и схема строения (рис. 16) молекулы инсулина (51 аминокислотный остаток).
Когда полипептидная цепь принимает в пространстве специфическую конфигурацию, то это вторичная структура белка (или собственно полипептидный скелет). Ее формируют 3 типа укладки: альфа-спираль, бета — складчатые слои и соединительные петли, распределенные вдоль полипептидной цепи.
Дальнейшая пространственная укладка полипептидной цепи называется третичной (трехмерной) структурой белка.
К белкам с трехмерной структурой относится большинство белков: белки клеточных мембран, цитохромы (содержат гем в качестве простетической группы), дегидрогеназы (содержат флавинадениндинуклеотид — FAD), гликопротеины (связаны с углеводными компонентами), протеогликаны (формируют межклеточный матрикс), белки плазматических мембран, секреторные белки, белки сыворотки крови, белки муцина (слизи) и т.д.
Причем трехмерная структура характерна как для глобулярных белков (компактное сферическое образование в виде глобул со слабыми
Рис. 15. Первичная структура мономера инсулина (по Сэнджер Ф., 1954; http://www.transplantology.com/index.php.&page39)
Рис. 16. Схема строения молекулы инсулина (по: www. xumuk.ru; http://www.xumuk.ru/biologhiim/22.html). Между цепями АиВи внутри А-цепи образуются дисульфидные (-S-S-) связи. Близкими по первичной структуре оказались инсулины человека, свиньи и кашалота. Единственным отличием инсулина человека от инсулинов других видов является нахождение треонина в положении 30 В-цепи вместо аланина
пептидными связями), так и фибриллярных белков, имеющих длинные вытянутые вдоль общей оси полипептидные цепи с прочными непептидными связями.
Наиболее наглядными примерами фибриллярных белков служат коллагеновые белки, из которых состоят соединительная ткань и сухожилия, а также белки на основе альфа-кератина (волосы и ногти) или эластина (клетки кожи и стенок артерий и легочных альвеол).
Коллагены — филогенетически наиболее старые белки, с них начиналась органическая жизнь на Земле.
В настоящее время в геноме человека идентифицировано более 40 коллагеновых генов и еще столько же участков ДНК, содержащих характерные для коллагеновых генов последовательности нуклеотидов разной протяженности.
Всего описано 28 типов коллагенов. Их молекулы включают три полипептидные альфа-цепи, соединенные в уникальную конформацию — тройную спираль.
На рис. 17 приведена схема синтеза коллагеновых белков: в шероховатом ретикулуме цитоплазмы пре-преколлагеновая цепь преобразуется (благодаря отщеплению сигнального пептида) в проколлагеновую альфа-цепь (в таком виде она представлена в аппарате Гольджи).
Затем альфа-цепь подвергается воздействию ферментов секреторных вакуолей, обеспечивающих процессы ее гидроксилирования, гликозилирования и образования дисульфидных связей. Потом три альфа-цепи превращаются в проколлагеновую молекулу, поступающую в экстраклеточный матрикс, где от нее отщепляются пропептиды, и она становится коллагеновой молекулой.
Рис. 17. Схема синтеза коллагеновых белков (по: Курниковой М.А., 2007)
Далее происходит формирование перекрестных связей между фибриллами, характерное для фибриллярных коллагенов, для которых супрамолекулярными структурами служат фибриллы, состоящие из тройных спиралей. Путем их взаимодействия с различными гликопротеинами и протеогликанами экстраклеточного матрикса формируются трехмерные структуры, напоминающие «строительные леса».
Многие из компонентов внеклеточного матрикса содержат домены тройных спиралей, но они отличаются от фибриллярных коллагенов и относятся к нефибриллярным.
На рис. 18 приведена супрамолекулярная структура фибриллярных коллагенов: она представлена фибриллярными белками (типы I-III, Y, XI, XIY и XXYII), листоподобными белками (типы: IY, YIII и X) и якорными (связывающими) белками (типы YI, YII, IX, XI и
XIY).
Агрегаты молекул фибриллярных коллагенов следующие: димеры, димеры-тетрамеры, тетрамер «паук», нитеподобные филаменты, якорные фибриллы и др.
Существуют также белки с макромолекулами, представленными функционально активными комплексами, состоящими из нескольких полипептидов. Это субъединицы олигомерного (протомерного) белка. Укладку субъединиц в таком белке называют четвертичной (четырехмерной) структурой, или пространственным расположением взаимодействующих между собой субъединиц, образованных отдельными полипептидными цепочками.
Такая структура характерна для белков, построенных из двух или более полипептидных цепей. Это способ укладки протомеров в пространстве. Причем протомеры связаны друг с другом посредством нековалентных связей (ионных, водородных, гидрофобных) и взаимодействуют между собой только определенными участками поверхности (www.biochemistry.ru). Например, эритроциты содержат гемоглобин — белок, образованный четырьмя цепями аминокислот. Каждая цепь присоединяется к молекулярной группе (группа гема) с один атомом железа, фиксирующим молекулу кислорода и переносящим ее от легких к тканям, а диоксид углерода — от тканей к легким. Так реализуется элементарное проявление жизни, называемое молекулярным дыханием. И хотя на первый взгляд его механизм выглядит простым, он основан на взаимодействии многих типов атомов в гигантской молекуле гемоглобина.
Рис. 18. Супрамолекулярная структура фибриллярных коллагенов (по: М.А. Курниковой, 2007)
Подсчитано: в одном эритроците содержится около 340 млн молекул гемоглобина. Каждая из них состоит из 103 атомов, относящихся к С, Н, О, N, S и Fe (последний элемент представляют 4 атома). Атомы железа расположены в центре гема — пигмента, придающего крови характерный красный цвет. Каждая из четырех молекул гема «обернута» одной полипептидной цепью (рис. 19).
В молекуле гемоглобина взрослого человека НЬА (от англ. adult) находятся четыре полипептидные цепи, вместе составляющие белковую часть (или глобин). Две из них, называемые α-цепями, имеют одинаковую первичную структуру и содержат по 141 аминокислотному остатку. Две другие, обозначаемые β-цепями, также идентично построены и содержат по 146 аминокислотных остатков.
Таким образом, вся молекула глобина состоит из 574 аминокислот. Во многих положениях в α- и β-цепях гемоглобина разные аминокислотные последовательности при почти одинаковых пространственных структурах.
Получены доказательства, что у 20 видов животных в структуре гемоглобинов 9 аминокислот оказались одинаковыми в своей последовательности и консервативными (инвариантными), определяющими функции гемоглобинов; некоторые из них находятся вблизи гема, в составе участка связывания с кислородом, другие — в составе неполярной внутренней структуры глобулы.
На рис. 19 приведена четырехмерная структура гемоглобина.
Рис. 19. Четырехмерная структура гемоглобина (по http://www.rusmedserver.ru//med/anatome/sistkrovi/19.hml). Гемоглобин в качестве белкового компонента содержит глобин, а небелкового — гем. Видовые различия гемоглобина обусловлены глобином, в то время как гем одинаков для всех видов гемоглобина
Наряду с белками, обладающими указанными выше структурными особенностями (способы укладки), выделены белки-домены (или белковые модули), представляющие собой фрагменты полипептидной цепи, сходные по свойствам с глобулярными белками.
Домены автономны, но подчинены общему биологическому смыслу, что позволяет представить их как совокупность отдельных элементарных процессов.
Идея модульной конструкции белков-ферментов допускает частое появление и быструю эволюцию новых функциональных белков по принципу сборки электронного устройства из микросхем.
Иногда белки-домены кодируются отдельными фрагментами генов — экзонами. Значит, не исключена перетасовка экзонов (и соответственно доменов) как механизм эволюции белков.
Концепция модульного фолдинга
Рассмотрим ситуацию, возникающую в клетке после синтеза полипептида. Он «пробует» самостоятельно преобразоваться в трехмерную структуру за счет взаимодействия аминокислотных остатков. Известно, что возможности ассоциации аминокислотных остатков друг с другом безграничны.
Именно этот беспорядочный и безграничный процесс назван фолдингом.
Ответ на вопрос о том, какая именно трехмерная структура белка возможна после синтеза полипептидной цепи, известен: это определяется аминокислотной последовательностью. Однако сама последовательность не позволяет ответить на другой вопрос: каким образом такая структура может возникнуть? Иными словами, это одна из нерешенных проблем молекулярной биологии.
Процесс фолдинга происходит с участием двух классов белков: белков-ферментов и белков — молекулярных шаперонов.
К первому классу белков относятся два белка-фермента. Один из них — протеиндисульфидизомераза (ПДИ), образующая, перемещающая или разрушающая в самой полипептидной цепи связи -S-S- между остатками цистеина и тем самым корригирующая фолдинг (в эндоплазматическом ретикулуме клетки). Второй белок — пептидилпролинизомераза (ППИ) — катализирует цис- и трансизомеризацию пептидных связей пролина, обеспечивая правильную конфигурацию белка. Например, к таким белкам относятся циклофиллины.
Они связывают циклоспорин (антибиотик и иммунодепрессант) при трансплантации органов.
Молекулярные шапероны включают семейство высокоспециализированных белков, находящих правильную пространственную структуру для вновь синтезированных белков. Их название происходит от слова «шаперон» (буквально — пожилая дама, сопровождающая молодую девушку на балах).
Шапероны связываются с ошибочными структурами белка, что стабилизирует частично свернутую молекулу до того момента, пока не произойдет правильный фолдинг (после отхода шаперона).
Таким образом, шапероны стабилизируют неустойчивую форму и способствуют образованию правильной формы полипептида в ходе различных молекулярных процессов: олигомерной сборки или транспорта белка, самого фолдинга, а также контроля за «переключением» конформации белка (активная — неактивная, нормальная — патологическая). В последнем случае такими примерами служат переключения, происходящие в специфических рецепторах для глюкокортикоидов и в ходе преобразования нормальной изоформы в патологическую изоформу для прионных белков (см. главу 29).
Классы белков и их функции
Многие известные классификации белков основаны на случайных показателях (физико-химические свойства, форма молекул, локализация и происхождение, аминокислотный состав), а также на особенностях структуры и функционирования протеинов. Большинство подобных классификаций не соответствует постоянно возрастающему уровню знаний о белках.
В частности, расшифрованы структура и функции только нескольких сотен природных белков, а их около 6 млн модификаций. Стройная система номенклатуры белков и их подразделение на типы отсутствуют, из-за чего ряд авторов ограничиваются разделением белков человека на два класса: структурные и функциональные протеины (белки-ферменты).
В первую очередь рассмотрим самую старую классификацию белков, основанную на определенных (не вполне значимых) данных об их структуре, составе и свойствах. Согласно этой классификации, белки делятся в зависимости от химического состава на простые и сложные.
Простые белки построены из остатков аминокислот и при гидролизе распадаются только на свободные аминокислоты. Различают
подгруппы простых белков: альбумины, гистоны, глютелины, глобулины, проламины, протамины и др.
Сложные белки двухкомпонентны, состоят из простого белка и небелкового компонента, называемого простетической группой. При гидролизе сложных белков, помимо свободных аминокислот, освобождается небелковая часть или продукты ее распада.
Классификация сложных белков основана на химической природе входящего в их состав небелкового компонента, в соответствии с чем различают гликопротеины (содержат углеводы), липопротеины (содержат липиды), металлопротеины (содержат металлы), нуклеопротеины (содержат нуклеиновые кислоты), фосфопротеины (содержат фосфорную кислоту) и хромопротеины (содержат пигменты).
В более сложной классификации белков учитываются особенности их структуры. Различают α-, β-, α+β- или α/β-белки.
Причем α-белки содержат только α-спирали (не менее 60\%); β-белки — только β-спирали; α+β-белки и α/β-белки — ите,и другие структуры в пределах одной полипептидной цепи (например, молекулы лизоцима). Так, в α/β-белках множество α- и β-структур, чередующихся вдоль полипептидной цепи или так называемых доменов, создаваемых объединением α-спиралей и β-слоев, между которыми открываются более рыхлые структуры.
В качестве примеров белков, классифицируемых по структурному принципу, выше рассмотрены: инсулин (см. рис. 15, 16), коллагены (см. рис. 17, 18) и гемоглобин (см. рис. 19).
Вместе с тем наиболее распространенная классификация белков — их разделение по функциональному принципу. Выделен класс протеинов, обладающих способностью катализировать химические реакции, разработана стройная система их номенклатуры, учитывающая химическую природу и типы белков. Однако этот класс белков охватывает лишь незначительную их долю, не более 3000.
По функциональному принципу выделяют 12 основных классов белков: каталитически активные белки-ферменты; белки-гормоны (в том числе стероидные гормоны); белки-регуляторы активности генома; защитные белки (антитела) и белки свертывающей и антисвертывающей систем крови; токсические белки; транспортные белки; мембранные белки; сократительные белки; рецепторные белки; белки-ингибиторы ферментов; белки вирусной оболочки; белки с иными функциями (например, прионные белки).
Прионные белки
В последние годы в клинической генетике выделен класс нейродегенеративных заболеваний, связанных с прионными белками. Они устойчивы к действию протеаз и обнаружены в мозге человека и животных как в нормальной, так и в патологической формах, представляющих собой две изоформы одного и того же полипептида, кодируемые одним и тем же геном.
Однако их конформация различна: патологический белок имеет высокое содержание бета-слоев, тогда как нормальный белок их почти не имеет.
Кроме того, патологический белок сам себя воспроизводит, что позволяет ему выступать в роли возбудителя прионной болезни (см. главу 29).