Белки — макромолекулы живых организмов¶

Белки (протеины) — высокомолекулярные органические соединения, полимеры, построенные из остатков α-аминокислот, соединённых пептидными связями. Молекулярная масса белков варьируется от нескольких тысяч до нескольких миллионов дальтон. Белки выполняют в живых организмах каталитическую, структурную, транспортную, защитную, регуляторную и сигнальную функции, участвуют в процессах мышечного сокращения, иммунного ответа и передачи наследственной информации.

¶Химическая структура

¶Первичная структура

Первичной структурой белка называют линейную последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Эта последовательность кодируется геном и определяет все остальные уровни организации молекулы. В природных белках встречаются преимущественно 20 стандартных аминокислот, каждая из которых отличается строением боковой цепи (R-группы). Пептидная связь — амидная связь между карбоксильной группой одной аминокислоты и аминогруппой другой — обладает частично двойным характером, что придаёт ей плоскость и ограничивает вращение.

¶Вторичная структура

Вторичная структура — это локальные упорядоченные конформации полипептидной цепи, удерживаемые водородными связями между атомами основного цепевого скелета. Основные типы вторичной структуры — α-спираль (правозакрученная спираль с 3,6 остатков аминокислот на оборот) и β-лист (слой из вытянутых цепей, соединённых водородными связями). Типичный для глобулярных белков α-спиральный мотив описан Линусом Полингом в 1951 году.

¶Третичная структура

Третичная структура — это трёхмерная форма свёрнутой полипептидной цепи, стабилизируемая различными типами взаимодействий: гидрофобными контактами, ионными связями, водородными связами, дисульфидными мостиками между остатками цистеина. Для большинства ферментов и растворимых белков характерна гидрофобная сердцевина, окружённая гидрофильными полярными остатками на поверхности.

¶Четвертичная структура

Четвертичная структура — это пространственное расположение нескольких полипептидных цепей (субъединиц) в составе мультисубъединичного комплекса. Примером служит гемоглобин, состоящий из четырёх субъединиц: двух α- и двух β-цепей. Связи между субъединицами включают гидрофобные взаимодействия, ионные пары и водородные связи.

¶Классификация

По форме молекулы белки делятся на две основные группы:

• Глобулярные — компактные, шарообразные молекулы, растворимые в воде и солевых растворах. К ним относятся ферменты, гормоны, антитела, гемоглобин.
• Фибриллярные — вытянутые нитевидные молекулы, как правило, нерастворимые в воде. Примеры: коллаген, кератин, эластин, миозин.

По химическому составу различают простые белки (глобулы и фибриллы, при гидролизе дающие только аминокислоты) и сложные белки (конъюгаты, содержащие, помимо белковой части, небелковый компонент — лиганд: липид, углевод, металл, нуклеотид). Примеры сложных белков: гликопротеины, липопротеины, металлопротеины, хромопротеины.

¶Функции белков

¶Биосинтез белка

Биосинтез белка в клетке осуществляется на рибосомах по матрице матричной РНК (мРНК) в процессе трансляции. Процесс включает три этапа: инициацию, элонгацию и терминацию. Первоначально синтезируемая полипептидная цепь подвергается посттрансляционной модификации: отщеплению сигнальных пептидов, гликозилированию, фосфорилированию, образованию дисульфидных мостиков. Свертывание белка в нативную трёхмерную структуру может происходить как самостоятельно (автономно), так и при участии белков-шаперонов.

¶Денатурация

Денатурация — процесс разрушения нативной структуры белка под действием физических (нагревание, ультрафиолетовое излучение, ультразвук) или химических (кислоты, щёлочи, соли тяжёлых металлов, органические растворители, детергенты) факторов. При этом распадается вторичная, третичная и четвертичная структура, но первичная структура (последовательность аминокислот) сохраняется. Денатурация часто необратима, однако в некоторых случаях (например, при медленном охлаждении раствора белка) возможно восстановление нативной конформации — ренатурация. Классическим экспериментом по ренатурации стал опыт Кристиана Анфинсена с рибонуклеазой, за который он получил Нобелевскую премию по химии в 1972 году.

¶Методы исследования

Для определения первичной структуры белков исторически применяется метод Эдмана (поэтапное отщепление и идентификация N-концевых аминокислот). Пространственную структуру определяют рентгеноструктурным анализом (крсталлография белков), ядерным магнитным резонансом (ЯМР-спектроскопия) и криоэлектронной микроскопией. В 2024 году Нобелевская премия по химии была присуждена Дэвиду Бейкеру, Демису Хассабису и Джону Джамперу за разработку методов предсказания и конструирования белковых структур, включая нейросеть AlphaFold.

¶Значение в питании и медицине

Белки пищи являются источником незаменимых аминокислот, которые не синтезируются в организме человека и должны поступать с едой. Суточная норма потребления белка для взрослого человека составляет около 0,8–1,2 г на килограмм массы тела. Недостаток белка в рационе приводит к нарушениям роста, снижению иммунитета, отёкам (кахексии). Мутации в генах белков лежат в основе ряда наследственных заболеваний: серповидноклеточной анемии (мутация в гемоглобине), муковисцидоза (мутация в белке CFTR), болезни Альцгеймера (патологическая агрегация белка амилоида-β).

¶История

Термин «белок» ввёл в 1839 году голландский химик Мульдер, предложивший название «протеин» (от греч. πρωτεῖος — первичный). В 1951 году Линус Полинг описал вторичные структуры белков. В 1953 году Уотсон и Крик установили структуру ДНК, что заложило основу понимания механизма кодирования белков. В 1958 году Джон Кендрю и Макс Перуц получили первые трёхмерные структуры белков (миоглобина и гемоглобина) методом рентгеноструктурного анализа.

¶Исторические источники и литература

• Вайнштейн А. М. Белки: структура и функция. — М.: Наука.
• Анфинсен К. Принципы свёртывания белков.
• Alberts B. et al. Molecular Biology of the Cell.
• Nelson D. L., Cox M. M. Lehninger Principles of Biochemistry.