Русский изменить

Ошибка: нет перевода

×

Конформации. Гидрат, гидратация. Сольватация. Солевые мостики. Цистеин. Тиольная группа. Дисульфидные мостики. Гидрофобное взаимодействие

Main page / Генетика XXII века / Раздел 4. БЕЛКИ, АМИНОКИСЛОТЫ / Конформации. Гидрат, гидратация. Сольватация. Солевые мостики. Цистеин. Тиольная группа. Дисульфидные мостики. Гидрофобное взаимодействие

Содержание

    Когда мы говорим «белок», то представляем некоторую третичную или четвертичную его структуру в виде фиксированного комка из молекул, но эта картина имеет существенную неполноту. Во-первых, как мы уже увидели, существует множество способов модифицировать белок с помощью различных ковалентно присоединяемых молекул. А во-вторых, мы же помним, что аминокислота – молекула весьма подвижная, потому что вокруг одинарной ковалентной связи возможно вращение связанных этой связью частей. Да, в белке существует много водородных (а иногда и ковалентных) связей между отдельными пространственно-близкими аминокислотами, что в значительной степени фиксирует его конформацию (т.е. определенное пространственное расположение атомов в молекуле, определенную конфигурацию молекулы), но при этом даже уже полностью сформированный белок остается объектом с довольно подвижной структурой, и это имеет колоссальное значение, потому что от конформации белка зависят его свойства. Изменение конформации – это такое изменение пространственной конфигурации белка, при котором в ней не рвутся и не создаются новые ковалентные связи.

    Приведу простой пример из жизни клетки. Представим себе белок, который закреплен в клеточной мембране, и его внешняя часть находится снаружи, средняя – внутри мембраны, а внутренняя погружена в цитоплазму, и к ней прикреплен другой мелкий белок — сигнальный. Если к внешней части белка прикрепится строго определенная молекула, то это окажет влияние на распределение электрических сил в наружной части белка, а значит изменится сила притягивания или отталкивания между некоторыми группами атомов наружной части белка, и конформация этой наружной части изменится, а в силу этого изменится и конформация его цитоплазматической части, и при таком изменении конформации цитоплазматической части сигнальный белок уже не сможет удерживаться на своем месте и высвободится в цитоплазму, где его подхватит другой белок и потащит куда-то, сообщая тем самым клетке сигнал о том, что рядом с ней в окружающем межклеточном пространстве появилась такая-то молекула:

    Огромное число клеточных механизмов работает благодаря тому, что белки могут принимать разные конформации.

    Любая устойчивая (при некоторых условиях) конформация белка, при которой он может выполнять свои функции, называется нативной, а такой белок называется нативным белком. Изменение конформации нативного белка может происходить не только в результате механического или химического влияния со стороны других молекул, но и в результате смены pH, температуры, ионного состава жидкости, которой он окружен.

    Нативный белок можно подвергнуть достаточно сильному нагреванию, или сильно изменить рН окружающей среды, или воздействовать на него сильной кислотой или щелочью, и тогда третичная (или четвертичная) структура белка начнет распадаться, водородные связи начнут рваться, хотя аминокислотная последовательность белка при этом еще меняться не будет. Этот процесс называется денатурацией. Изредка его еще называют «плавлением белка». Свойства белка при этом теряются – он превращается в некую белковую массу, причем отдельные денатурирующие белки активно друг с другом сцепляются, хаотично склеиваясь. Все мы тысячу раз видели этот процесс, когда жарили яичницу: прозрачный раствор, состоящий на 90% из воды, и на 10% из растворенных в воде белков, становится белым – это и есть результат склеивания между собой денатурированных белков и образования белковых кластеров, нерастворимых в воде.

    Если денатурация зашла не слишком далеко, то можно вернуть среду, окружающую белок, к её изначальному виду, и тогда он восстановит свою форму, т.е. произойдет ренатурация белка. А можно ли провести ренатурацию белков хорошо проваренного яйца?:) Как ни странно – да. Нужно обработать свернутый «белок» яйца мочевиной (мы позже узнаем, что это за вещество), которая умеет расцеплять белки и немного разжижать твёрдый белковый материал, а затем подвергнуть всю смесь мощному центрифугированию, что окончательно распутает и разделит белки, и мы снова получим прозрачный, жидкий яичный «белок».

    Центрифугирование – это довольно простой и эффективный метод разделения смеси частиц на группы (фракции) в зависимости от их плотности. Помещаем смесь в центрифугу

    раскручиваем ее с огромной скоростью, и за счет центробежной силы более плотные частицы окажутся ближе к внешней части. Этот метод очень часто используется в биохимии и экспериментальной физике.

    Не будем забывать, что нативный белок функционирует в цитоплазме живой клетки, которая в основном состоит из воды, и это водное окружение также оказывает важное влияние на конформацию белков, ведь молекулы воды – это активные электрические диполи, которые не упустят возможности электрически провзаимодействовать с любой другой заряженной молекулой. Если поместить, для примера, положительно заряженный ион натрия в воду, то он немедленно будет очень тесно окружен молекулами воды, которые притянутся к нему, повернувшись к нему своими атомами кислорода, имеющими частичный отрицательный заряд

    Атом натрия прочный, ему ничего не сделается, а вот если бы на его месте был белок, то он бы отчетливо почувствовал на себе растаскивающее влияние молекул воды, и его конформация изменилась бы. Присоединение молекул воды к заряженным частицам называется гидратацией.

    Очень важно не перепутать гидратацию с гидролизом. При гидролизе возникает разложение молекулы, окруженной молекулами воды, т.е. происходит химическая реакция взаимодействия вещества и воды с образованием новых химических соединений. При гидратации ничего такого не происходит, зато возникают очень интересные объекты, которые называются гидратами. Они играют большую роль в жизни на Земле в целом, и как-нибудь мы в этом разберемся.

    В более общем случае, когда растворителем является не вода, а любая другая жидкость, полярные молекулы которой таким же образом присоединяются к заряженной молекуле или к иону, это называется сольватацией, а образующиеся в результате этого молекулярные комплексы называются сольватами. И точно так же мы должны не путать сольватацию и сольволиз. Таким образом гидратация – это частный случай сольватации.

    Совокупность полярных молекул растворителя, окружающих молекулу вещества, называется сольватной оболочкой, причем сольватная оболочка образуется даже вокруг электрически нейтральной молекулы растворенного вещества, ведь молекулы воды активно притягиваются друг к другу, и поэтому они зажмут в тесное кольцо даже неполярную молекулу, но тут есть один очень важный нюанс.

    В биохимии очень распространен такой термин, как гидрофобное взаимодействие. Давай разберемся — что это такое. Если мы поместим в воду множество капелек жира, то увидим, что они начинают активно сливаться друг с другом и образовывать кластеры — крупные капли жира. Молекулы жира не имеют электрического заряда, они электрически нейтральны, но мы своими глазами видим, что они стремятся друг к другу очень энергично. Иллюзия того, что они притягиваются друг к другу, очень устойчива и очень хорошо обманывает наш рассудок. Что же происходит на самом деле? Представим себе, что между двумя молекулами воды находится гидрофобная молекула. Что будет дальше? Две молекулы воды, будучи диполями, развернутся друг к другу своими разноименно заряженными сторонами и начнут активно притягиваться друг к другу, а молекула жира будет оттеснена ими в сторону. Но теперь другая молекула воды тоже оттеснит её, чтобы притянуться к тем молекулам воды, что находятся «за спиной» жира. Если одна капелька жира натолкнется на другую, то они плотно прижмутся друг к другу и сразу же сольются в одну каплю, и эта капля уже не разобьется на две по той причине, что это энергетически невыгодно. Камень сам упадет с горы, но на гору обратно он сам не залезет, потому что это «энергетически невыгодно»: ему надо взять для этого энергию, чтобы произвести работу в гравитационном поле Земли. Так же и тут: одна капля имеет определенную площадь соприкосновения с водой, и две отдельные капли, соответственно, в сумме в два раза большую. Но если две капли сольются в одну, то у этой большой капли поверхность соприкосновения с водой будет меньше, чем была суммарная площадь соприкосновения двух отдельных капель, а значит упорядоченность системы уменьшится, а значит увеличится энтропия системы, и обратно большой капле разбиться самопроизвольно на две отдельные капли так же невозможно, как невозможно камню самому подняться на гору.

    Я представляю сейчас твое недоумение от слова «энтропия». Это сложное понятие, и мы рассмотрим его значительно позже вместе с понятием энтальпии, и там же мы намного глубже разберемся в том – что такое энергия. Сейчас просто хотелось показать общую логику происходящего, хотя ты и не сможешь ее отчетливо понять. Тем больше будет предвкушения:). Возвращаясь к молекулам жира – они НЕ притягиваются друг к другу. Они двигаются и сливаются вместе не потому, что притягиваются, а потому что притягиваются друг к другу окружающие их молекулы воды. Но иллюзия так убедительна, а термин «гидрофобное взаимодействие» так её усиливает! Гидрофобным молекулам просто нечем взаимодействовать между собой с такой силой, чтобы притягиваться друг к другу, т.к. они электрически нейтральны. Конечно, не бывает совершенно электрически нейтральных молекул, и тем более макромолекул: электронные облака даже в гидрофобных макромолекулах неоднородны, и чем ближе мы находимся к молекуле, тем отчетливее будет заметна эта неоднородность – где-то есть частичный отрицательный заряд, где-то – частичный положительный, да и из раздела про атомы мы уже знаем, что существуют мгновенные диполи и т.д. Но эти слабые частичные электрические заряды, расположенные по молекуле более или менее хаотично, не способны создать такое сильное и устойчивое взаимодействие, чтобы такие гидрофобные молекулы притягивались друг к другу, тем более находясь в окружении таких мощных диполей, как молекулы воды.

    Есть похожий пример. Если положить в чашку чаинки и залить их кипятком, после чего размешать воду круговыми движениями ложки, то мы увидим, что чаинки стремительно направляются в центр чашки и сбиваются там в кучу. Подобную картину люди могли наблюдать в течение тысяч лет. Возник термин: «центростремительная сила», и стали говорить, что центростремительная сила толкает чаинки к центру. И всё это очень странно, потому что полностью противоречит другим опытам. Если я возьму веревку, на другом конце которой привязан кирпич, и раскручу его (не надо так делать у себя дома!) (в гостях тоже не надо!), то кирпич отнюдь не будет стремиться вернуться в центр и ударить меня по голове. Он будет стремиться вырваться из рук и улететь подальше. Куда делась центростремительная сила? Никуда она не делась по той простой причине, что ее попросту и не существует. Во время вращения молекулы воды, тесно связанные друг с другом силой электрического притяжения, разлетаются в стороны, как и кирпич, под влиянием центробежной силы, а чаинки, соответственно, попросту оттесняются к центру. Так что чаинки движутся к центру в результате самой обычной силы, возникающей, когда одно тело пихает другое, а не в результате какой-то особой «центростремительной силы». Мы же не говорим, что есть морозилко-стремительная сила, действующая на пельмени, хотя все пельмени по мере их изготовления и в самом деле упорно собираются в морозилке. Но иллюзия так сильна!

    К сожалению, многие не отдают себе отчета в том, что «гидрофобного взаимодействия» не существует. Если мы понимаем всю механику этого процесса и суть этой иллюзии, то в принципе ничто не мешает использовать этот термин, имея в виду то, что это лишь удобный художественный образ, т.е. удобная модель, позволяющая зримо описывать процесс слияния гидрофобных молекул в кластеры в полярном растворе.

    В науке не является редкостью такая ситуация, когда ради удобства вводится постулирование существования того, что очевидно не существует. Для примера рассмотрим ситуацию, когда в конференц-зале заполнены все стулья, кроме одного, в самом центре. Пришедший последний участник не хочет лезть по головам и просит людей в этом ряду пересесть, и они пересаживаются, один за другим. При взгляде издалека может показаться, что пустой стул перемещается из центра на периферию, хотя понятно, что в реальности не происходит никакого физического перемещения стула. Точно так же, если в твердом проводнике из какого-то места убрать электрон, то в этом месте появится избыточный положительный заряд, и когда электроны начнут сдвигаться один за другим на это пустое место, то возникнет иллюзия, что из центра на периферию перемещается положительный заряд. Мы понимаем, что на самом деле там нет реально существующей перемещающейся положительно заряженной частицы, но физики абстрагируются от этого знания и называют этот избыточный положительный заряд «дыркой», и используют дальше модель, в которой дырка рассматривается как реальная положительно заряженная частица, и дальше производят нужные расчеты, которые будут совершенно верны. В физике твердого тела концепция такой «дырки» используется очень часто и с большим успехом. Главное – всегда понимать физический смысл используемых моделей и их границы применимости.

    Если мы представим себе находящийся в цитоплазме сложно-свернутый белок, состоящий из множества аминокислотных остатков, среди которых есть и полярные, и неполярные, то могли бы мы высказать какое-то общее утверждение относительно его конформации? Могли бы: конформация белка будет такой, что полярные аминокислоты преимущественно будут находиться поближе к [заряженным] молекулам воды, то есть на окраинах белка, а гидрофобные аминокислоты будут оттеснены внутрь белкового комплекса. Это важный момент, и его надо понять и запомнить.

    Посмотрим – как выглядит аминокислота цистеин:

    Структурная формула:

    Как видим, цистеин содержит атом серы (большой желтый шарик на рисунке), т.е. он является серосодержащей аминокислотой – с такими мы еще не встречались. Мысленно представим – как получить цистеин из аланина? Надо один из атомов водорода, присоединенный к β-углероду аланина, заменить на группу SH. Наличие атома серы в цистеине придает ему особые качества.

    Группе «-SH» не повезло (точнее, нам не повезло…) – так получилось, что у нее есть целых четыре названия, и в разных книгах можно встретить все четыре. Придется с ними ознакомиться: тиольная группа, или сульфгидрильная группа, или меркапто-группа, или меркаптановая группа. Правильной на сегодняшний день является именно первое название.

    Мнемоническое правило для запоминания слова “цистеин”: “сероводородные ванны полезны для лечения и профилактики цистита” (это и в самом деле так, ну по крайней мере врачи-бальнеологи советуют использовать сероводородные ванны против урологических заболеваний). Сокращенные обозначения цистеина запомнить просто: “Cys” и “C”.

    В создании нативной формы белка значительную роль могут играть так называемые дисульфидные мостики – ковалентные связи, возникшие между двумя атомами серы, входящими в состав соседних серосодержащих аминокислот. Не так уж часто цистеины находятся так близко друг к другу в составе белка, да еще и в таком положении, чтобы между их атомами серы возникла такая связь. Но мало того. Давай проанализируем – внутриклеточная среда способствует возникновению дисульфидных мостиков, или наоборот, препятствует этому? Ответить на этот вопрос несложно.

    Вспомним, что внутриклеточная среда является сильно-восстановительной, а значит она препятствует возникновению дисульфидной связи, ведь чтобы атомы серы, принадлежащие двум серосодержащим аминокислотам, например двум цистеинам, соединились между собой и образовали дисульфидный мостик, сначала они должны отдать прикрепленные к ним водороды. Но отдать водороды – это значит проявить свойства кислоты и «закислить» окружающее пространство, в то время как восстановительная внутриклеточная среда, наоборот, способствует удержанию молекулами при себе протонов. Поэтому в большинстве внутриклеточных белков дисульфидных связей нет. Но есть немало белков, которые выделяются клеткой во внеклеточное пространство (вместо слова «выделяются» еще говорят «секретируются», а сам процесс выделения молекул клеткой называют секрецией, а выделяемые молекулы – «секретом»). И вот в секретируемых белках дисульфидные мостики, напротив, довольно распространены, ведь они скреплены прочными ковалентными связями, а значит они хорошо стабилизируют конформацию белка во внеклеточном пространстве, где нет таких тепличных условий, как внутри клетки, и предотвращают денатурацию белка.

    Получается, что мы могли бы ожидать найти много цистеина в составе белков, из которых создаются прочные части нашего тела, и так оно и есть. Цистеин входит в состав α-кератинов – именно кератины являются основными белками, из которых состоят ногти, кожа и волосы. Именно благодаря большому количеству дисульфидных мостиков кератины являются такими прочными. Например, в кератине волоса человека содержание цистеина – одной из двадцати протеиногенных аминокислот — достигает 14%.

    Цистеин активно участвует и в формировании коллагена – еще одного очень важного белка, в котором, как мы помним, еще есть много пролина. Коллаген составляет основу соединительной ткани организма, т.е. сухожилий, костей, хрящей и т.д., и именно из-за коллагена наша кожа такая прочная и эластичная одновременно. Интересно, что только животные научились производить и использовать коллаген, а растения, бактерии и грибы делать его не умеют. Коллаген – это вообще самый распространённый белок у млекопитающих, и он составляет 25-45% белков во всем теле!

    Бактерии/археи-термофилы (т.е. выбирающие для своей жизни среду с очень высокой температурой) имеют много белков с высоким содержанием цистеина, а значит имеющих много дисульфидных мостиков в своем составе, ведь при таких высоких температурах сложнее сохранять свои белки в целости и сохранности, и прочные S-S мостики предотвращают денатурацию.

    Если в третичной или четвертичной структуре белка некий аминокислотный остаток, имеющий небольшой положительный заряд, окажется поблизости от другого остатка, имеющего частичный отрицательный заряд, то между ними возникнет сила электрического притяжения (а если оба будут иметь одноименный заряд – то они будут отталкиваться друг от друга). Такое притяжение формирует связь, которая называется солевым мостиком. Солевой мостик и водородная связь – это совсем не одно и то же. Солевой мостик является результатом электростатического притяжения не между отдельными атомами, а между отдельными участками аминокислотных остатков. Солевые мостики вносят значительный вклад в укрепление стабилизации белка, так что неудивительно, что у термофильных бактерий и архей довольно много белков, насыщенных ими.