Основы биохимии - Филиппович Ю. Б. 1999

Белки
Характеристика отдельных групп белков

Каталитически активные белки. Массовая расшифровка первичной и чет­вертичной структур каталитически активных белков (ферментов) и исчерпы­вающие сведения о третичной структуре некоторых из них позволили прийти к обобщениям, касающимся специфики строения белков, относящихся к этой группе, и связи последней с каталитической функцией этих белков. Не вдаваясь в детали (см. гл. III), отметим, что специфика строения ферментов сводится к следующему.

а-Спиральная и ß-складчатая структуры, представленные в том или ином количестве в их молекулах, тесно прилегая друг к другу и чередуясь, упаковыва­ются в блоки, обладающие функциональной активностью. Даже неупорядочен­ные фрагменты полипептидной цепи частично, но своеобразно структурированы, образуя, например, ω-петли и другие квазиструктурные элементы. Радикалы аминокислот, несущие заряды, направлены, как правило, к поверхности глобулы, и только те из них, которые имеют функциональное значение и ассоциированы с другими полярными радикалами, ориентированы внутрь глобулы. В противо­положность этому на поверхности глобулы обнаруживается ограниченное число гидрофобных радикалов аминокислот; большинство из них обращено внутрь молекулы, где они объединяются в одно или несколько гидрофобных ядер.

У многих белков-ферментов указанные ядра сходны и служат, если их несколько, центрами для формирования двух- или многоядерной белковой глобулы. Так построены многие ферменты-мономеры (см. рис. 34, структура рибонуклеазы и лизоцима). На границе двух (или более) оформленных или отчетливо не выраженных частей молекулы фермента располагается активный центр, локализованный в щели или впадине. Глубина, форма и размеры последней соответствуют пространственной структуре субстрата, чем обес­печивается специфичность действия каталитически активных белков.

Структура самого активного центра организована столь тонко, что делает возможным строго координированное в пространстве и во времени осуществ­ление каталитического акта. Большинство ферментов располагает аллостери­ческими центрами, которые служат для контакта с аллостерическими регулято­рами их активности. Большая часть каталитически активных белков обладает четвертичной структурой, которая в значительной мере предопределяет спо­собность ферментов образовывать изоферменты; с изучением последних свя­зана новая и увлекательная область ферментологии.

Перечисленные основные особенности строения ферментов показывают, что между структурой их молекул и способностью ускорять протекание соот­ветствующих химических реакций существует теснейшая взаимосвязь, харак­терная именно для этой обширной группы белковых тел.

Белки-гормоны. Характерной особенностью этой группы белков является способность воздействовать на фундаментальные механизмы регуляции обмена веществ: проницаемость клеточных мембран и биосинтез вторичных посред­ников.

Изучены структура и биологическая активность нескольких десятков бел­ковых гормонов (см. гл. XII). Молекулярные массы подавляющего их числа лежат между 20 000 и 30 000 Да. Самой важной особенностью белковых гор­монов является наличие в составе их полипептидных цепей относительно небольших фрагментов (до нескольких десятков аминокислотных остатков), которые являются носителями гормональной активности, тогда как остальная часть полипептидной цепи несет какие-то иные функции, в частности видоспе­цифические. В составе белковых гормонов выявлены якорные площадки, обеспечивающие их соединение с рецептором гормона. Их вторичная структу­ра дополняет или продолжает таковую рецептора гормона, в результате чего возникает комплементарно завершенный комплекс, необходимый и достаточ­ный для формирования биологического сигнала.

Регуляторные белки. Исследование группы регуляторных белков осуществ­ляется в последние годы необычайно интенсивно, так как их функциональная активность связана с репрессией и дерепрессией генома и регуляцией таких важнейших процессов, как рост, развитие и морфогенез растений и животных.

Одной из наиболее изученных подгрупп указанных белков являются гисто­ны (см. с. 81), локализованные в хроматине клеточных ядер, где они ассоци­ированы с ДНК. Гистоны, входящие в состав хроматина, не отличаются большим разнообразием и отнесены к пяти видам, которым различные авторы в разное время присвоили те или иные названия или индексы (табл. 9).

Таблица 9 Классификация, номенклатура и физико-химическая характеристика гистонов

Примечание. Трехбуквенная номенклатура гистонов основана на перечислении в их составе трех преоблада­ющих аминокислот (в порядке убывания), где А — аланин, G — глицин, Е — глутаминовая кислота, К — лизин, L — лейцин, Р — пролин, R — аргинин, S — серин. Однако, несмотря на наглядность, она пока не получила распространения.

Первичные структуры гистонов из различных биологических объектов (эритроциты цыпленка, семенники карпа, зобная железа свиньи, теленка и бы­ка, семена гороха и многие другие) выяснены и внутри каждого вида гистонов оказались весьма сходными, более того — консервативными, за исключением, пожалуй, гистона НІ, варьирующего как по молекулярной массе, так и по последовательности аминокислотных остатков.

Что касается вторичной и третичной структур гистонов, то они характери­зуются присутствием коротких а-спиральных участков и доминированием неупорядоченной полипептидной цепи, образующей на участках, богатых основными аминокислотами, растянутую спираль с 2,5 аминокислотными остатками на виток и шагом в 0,8 нм.

Соединяясь с ДНК ионными связями и силами слабых взаимодействий, гистоны стабилизируют ее структуру. Естественно, что дестабилизация ДНК, необходимая для проявления ее матричной активности, осуществима лишь при ослаблении (в силу тех или иных причин) связей между ДНК и гистоном, чем и определяется регуляторная роль гистонов в функционировании генома. Согласно современным данным, первый уровень структуры хроматина ре­ализуется в виде нуклеосом (см. гл. VI).

Другая подгруппа регуляторных белков, также локализованная в хромати­не ядра клетки, — иегистоновые белки. Они изучены в гораздо меньшей степе­ни, чем гистоновые. Эти белки крайне гетерогенны, так как при их фракцио­нировании методами электрофореза и изоэлектрофокусирования в полиакри­ламидном геле обнаружено около 500 полипептидов с молекулярными массами от 5000 до 200 000 Да. Некоторая часть негистоновых белков активно участвует в дерепрессии генома, препятствуя образованию суперспирализованной ДНК на тех ее участках, где они присоединились в S-периоде цикла деления клетки.

Негистоновые белки группы высокой подвижности (HMG-белки), изучен­ные в последние годы достаточно подробно, способствуют присоединению гистонов к ДНК, формированию нуклеосом и взаимодействию с хроматином гормон-рецепторных комплексов.

Перечень регуляторных белков, равно как и данные о соотношении их структуры и функций, непрерывно расширяются. К категории регуляторных белков относят: более десятка белковых факторов, участвующих в репликации ДНК (см. гл. VI); белки, ковалентно связанные с ДНК и РНК вирусов и фагов и инициирующие репликацию нуклеиновых кислот у них; более 50 ядерных белковых факторов, усиливающих или ослабляющих транскрипционные процес­сы (см. гл. VI), механизм узнавания которыми специфических последовательно­стей нуклеотидных остатков в молекуле ДНК при посредстве определенных олигопептидных фрагментов в составе белковых транскрипционных факторов все более проясняется; более двух десятков факторов инициации, элонгации и терми­нации, контролирующих этапы сборки полипептидных цепей при биосинтезе белков (см. гл. VII); белки теплового шока (а в более широком понимании — стрессовые белки), возникающие при тепловом и иных стрессовых воздействиях, защищающие клетки от повреждения и восстанавливающие метаболизм в них после снятия физиологического стресса; G-белки (некоторые из них получены в гомогенном виде и охарактеризованы), регулирующие биосинтез циклических аденозин- и гуанозинмонофосфатов — вторичных посредников при передаче гормональных и иных сигналов (см. гл. XIII); онкобелки, противоборство которых с антионкобелками приводит к злокачественному перерождению клеток; кейлоны и антикейлоны, имеющие отношение к регуляции пролиферации клеток.

Несомненно, что изучение структуры и функций перечисленных выше белков открывает перспективу познания наиболее глубоких основ регуляции процессов жизнедеятельности, в том числе на уровне генома; современные представления о типах взаимодействия регуляторных белков с ДНК показаны на рис. 41.

Защитные белки. К группе защитных белков принадлежат антитела — вещества белковой природы, вырабатываемые животным организмом в ответ на введение антигенов. Взаимодействуя с последними, они инактивируют их, защищая таким образом организм от воздействия чужеродных соединений, вирусов, бактерий, клеток и тканей. Для обозначения белков, синтезирующих­ся в организме в ответ на антигенное воздействие, предложен термин — иммуноглобулины (сокращенно Ig). Так как они впервые были обнаружены в медленно движущейся при электрофорезе белков сыворотке крови фракции у-глобулинов, их называют также у-иммуноглобулинами.

Рис. 41. Варианты связывания регуляторных белков с ДНК

В левой ластя рисунка перекрещенные а-спирали регуляторного белка взаимодействуют с симметрично расположенными центрами связывания в двойной спирали ДНК. локализованные в большом желобе ДНК. Узнающая а-спираль представлена тёмным цилиндром, а расположенная над ней другая а-спираль (белый цилиндр) помогает распознать связывающий центр. В средней части рисунка — ßß'a-надвторичная структура с атомом Zn в центре (связан с двумя остатками цистеина (С) ß-слоя и двумя остатками гистидина (Н) а a-спираля), обеспечивающая электростатический тип связи с ДНК за счет диполя в ßß'a-структуре (полярные области заштрихованы). В правой части рисунка — димер регуляторного белка, скрепленный, гидрофобной застежкой богатых лейцином а-cпиралей; пунктиром показана ось вращательной симметрии; заштрихованными прямоугольниками — высокоосноаные фрагменты, прямо взаимодействующие с ДНК, стрелками — парные полуцентры распознавания сайта связывания в ДНК

Согласно современной классификации, существует 5 видов иммуноглобу­линов (IgG, IgM, IgA, IgD и IgE), структурные элементы молекул которых представлены легкими и тяжелыми полипептидными цепями (рис. 42). Их молекулярные массы лежат в пределах 150000—950 000 Да. Тяжелые цепи различных иммуноглобулинов обозначают строчными буквами греческого алфавита соответственно прописным буквам латинского алфавита, которые служат для указания вида иммуноглобулина, т. е. для IgG — у (гамма); IgM — μ (мю), IgA — а (альфа), IgD — δ (дельта) и IgE — ε (эпсилон). Тяжелые полипеп­тидные цепи (Н-цепи, от англ. heavy — тяжелый) у разных видов иммуно­глобулинов отличаются друг от друга. Наоборот, легкие полипептидные цепи (L-цепи, от англ. light — легкий) у разных иммуноглобулинов только 2 типов: и (каппа) и λ (ламбда). В свою очередь, у некоторых иммуноглобулинов отмечено существование подвидов, например IgG₁, IgG₂, IgG₃и IgG4, в небо­льшой мере отличающихся друг от друга первичной структурой полипептид­ных цепей. Основную массу иммуноглобулинов сыворотки крови человека составляет IgG (75—85% от их суммы); IgA содержится в ней в количестве 7— 15%, IgM — 5—10%, IgD — 0 ,3 и IgE — 0,003% (тоже от суммы). IgA локализован, кроме того, в секретах (слеза, слюна, желчь, кишечный сок и т. п.) и лимфе.

Первичная структура тяжелых и легких цепей многих иммуноглобулинов выяснена: в тяжелых цепях зафиксировано от 439 до 450 (у-цепи) и от 568 до 576 (μ-цепи) аминокислотных остатков, а в легких — от 208 до 220. Удивительной особенностью является то, что как в легких, так и в тяжелых цепях иммуногло­булинов выявлены вариабельные зоны, расположенные преимущественно в первой половине цепи, т. е. со стороны аминогруппы. В отличие от этого первичные структуры легких и тяжелых цепей у различных иммуноглобулинов близки во второй их половине, т. е. со стороны С-концевой аминокислоты. Вариабельная часть молекулы ответственна за взаимодействие иммуноглобулинов с разнооб­разными антигенами, тогда как часть, отличающаяся относительным постоян­ством первичной структуры, выполняет общие для всех иммуноглобулинов функции (связывание комплемента, фиксация на мембранах).

Рис. 42. Структура иммуноглобулина G1 человека

Две легкие и две тяжелые полипептидные цепи попарно связаны дисульфидными (—S—S—) - связями; в каждой из цепей ест» внутренние днсульфидные мостики, отграничивающие разнообразные домены; С_н1, С_н2, С_н3 — константные домены тяжелой цепи

Высшие параметры структуры у различных иммуноглобулинов еще более однотипны и получили название иммуноглобулиновой унаковки, характеризу­ющейся стандартным расположением доменов по отношению друг к другу и общими закономерностями их пространственной ориентации.

Определенную роль в функционировании иммуноглобулинов играют углево­ды, входящие в их состав в количестве от 2 до 12%. Они присоединяются к легким и тяжелом цепям иммуноглобулинов в основном по радикалам аспарагина и в некоторых случаях — треонина и представлены олигосахаридами, в состав которых входят N-ацетилглюкозамин, манноза, галактоза, фукоза и сиаловая кислота в соотношении, в большинстве случаев близком к 4:3:2:1:1.

Таким образом, в строении иммуноглобулинов удивительно тонко сочета­ется взаимосвязь структуры и функции и необыкновенно наглядно выступает специфика молекулярной организации белков, характеризующихся определен­ной, в данном случае защитной, биологической активностью.

Кроме иммуноглобулинов защитные функции выполняют белки системы свертывания крови, интерфероны, интерлейкины, белки-антифризы, гаптоглобины, антигены тканевой совместимости, лизоцимы, антивирусные белки растений и антибактериальные белки насекомых.

Токсические белки. Группа токсических белков в последние годы изучается весьма интенсивно ввиду ее большого практического значения.

С точки зрения первичной структуры наиболее полная информация полу­чена о токсических белках змей: она расшифрована у нескольких десятков токсинов, полученных из ядов лесной, африканской, азиатской, египетской, королевской, мозамбикской, индийской и других видов кобры, африканской зеленой и черной древесных змей, морской змеи и др.

Крайне любопытно, что токсины ядов змей, характеризующиеся молекуляр­ными массами от 6700 до 7000 Да, составлены в большинстве случаев из 60 аминокислотных остатков; примерно такую же величину имеют токсические полипептиды скорпиона, пчелы и осы; близки к ним (45 аминокислотных остатков) токсины из пшеничной муки (пуротонин А, летальный для пивных дрожжей), морских актиний и омелы белой (вискотоксины). В подавляющем большинстве они являются нейротоксинами, так как, взаимодействуя с холинэнергическими белками, блокируют передачу нервных импульсов. Их нейротоксическое действие зависит от третичной структуры, задаваемой в основном многочисленными (4—5) дисульфидными мостиками (см. структуру эрабутоксина на рис. 40).

Почти столь же детально изучены высокомолекулярные белковые токсины микроорганизмов и растений. Структура и механизм действия нескольких десятков из них выяснены. В одних случаях они представлены мультимерами (дифтерийный и холерный токсины, токсин шигеллы и др.), построенными из одной субъединицы типа А (20,0; 28,0 и 32,0 кДа соответственно) и пяти субъединиц типа В (25,0; 12,0 и 7,7 кДа соответственно). Контактируя с клеточной поверхностью субъединицами типа В, они вводят субъединицу типа А внутрь клетки, где она блокирует биосинтез белков на рибосомах. В других — двухкомпонентны (растительные токсины — рицин, абрин, модецин, лектин и др.), причем субъединица В связывается с рецепторами клетки и обеспечивает перенос субъединицы А внутрь ее, что приводит к инактивации 60S субчастицы рибосомы и прекращению синтеза белка. В третьих — одноцепочечныe (энтеротоксин из стафилококка, гемолизин из кишечной палочки, стрептолизин и др.) и их крупные полипептидные цепи (от 34 до 110 кДа) встраиваются в клеточную мембрану, образуют в ней поры, что сопровождается лизисом клетки. Здесь, как и в случае нейротоксинов, прослежива­ется тесная связь структуры и функции токсических белков.

Транспортные белки. Представителем транспортных белков является сыво­роточный альбумин. Он выделен в высокоочищенном состоянии, его получение налажено препаративно. Основной функцией этого белка является перенос различных веществ, особенно жирных кислот. Кроме высших жирных кислот, сродство к которым у сывороточного альбумина весьма высоко, он переносит разнообразные анионы и катионы. Сывороточный альбумин связывает до 50% кальция, находящегося в крови, служит переносчиком ионов меди из кишечника в печень, является носителем стероидных гормонов. Молекулярная масса сывороточного альбумина человека равна 65 000, изоэлектрическая точ­ка (рІ) — 4,7 (при ионной силе 0,15). Он способен образовывать димеры с константой седиментации 6,7S. Первичная структура сывороточного аль­бумина человека, состоящего из 585 аминокислотных остатков, выяснена.

Из других белков сыворотки крови человека транспортными функциями обладают церулоплазмин (М = 160 000, рI = 4,4) — переносит ионы меди из печени в клеточные органеллы; трансферрин (М = 90000, рІ = 5,9) — переносит ионы трехвалентного железа; ß-липопротеин (М = 3 200 000, рI = 5,4) — перено­сит липиды, жирорастворимые витамины и гормоны; та же функция свойст­венна другим липопротеинам сыворотки крови. Липопротеины очень низкой плотности у человека ежесуточно переносят 25—50 г эндогенных триглицеридов, а другие их виды — холестерол, ß-каротин, фосфолипиды, углеводороды и ациклические спирты. Широко известными транспортными белками, перено­сящими кислород, являются гемоглобины позвоночных и ряда низших живот­ных, гемоциаиины моллюсков, ракообразных, паукообразных и мечехвостов, гемэритрины (коричневые дыхательные белки) кольчатых червей, хлорокруорины (зеленые дыхательные белки) многощетинковых червей, гемованадины (содержащие ванадий) морских животных (оболочников).

Транспортные белки характерны не только для биологических жидкостей. В последние годы внимание исследователей особенно привлекли белки, встро­енные в наружные и внутренние мембраны клеток и обеспечивающие перенос через них разнообразных низко- и высокомолекулярных веществ. Эти белки получили название порины, так как они образуют в мембранах поры, через которые идет транспорт. Некоторые из этих белков (порин I из наружной мембраны кишечной палочки—молекулярная масса 37205 Да, 340 аминокис­лотных остатков; порин из митохондрий печени крысы — димер из двух идентичных полипептидов и др.) выделены и охарактеризованы. Сюда же относятся белки — транслоказы, механизм переноса которыми веществ через мембраны ясен из рис. 43.

Рис. 43. Перенос веществ через мембраны при посредстве белков:

А — вращающийся белок-переносчик; Б — подвижный белок-переносчик; В — пора, образован­ная из белков-переносчиков

Структурные белки. Многочисленные и разнообразные белки несут в био­логических объектах структурные функции.

Эту роль выполняют прежде всего белки, являющиеся компонентами различных биологических мембран, исключая, конечно, те из них, что облада­ют иной функциональной активностью (мембранносвязанные ферменты, поровые белки, белки переносчики, рецепторные белки и т. п.).

Данные о молекулярных массах структурных белков мембран про­тиворечивы. У структурных белков митохондрий сердца и печени быка они составляют от 20000 до 60000, а у бактерий — от 10000 до 160000 Да. Структурные белки мембран отличаются резко выраженной способностью к агрегации. При pH 12 они существуют в виде мономеров, но при понижении значения pH олигомеризуются с образованием фибриллярных структур и микрокристаллов. Более того, они способны соединяться в стехиометрических соотношениях с другими белками (например, миоглобином) и особенно с ферментами, характеризующимися мембранной локализацией (цитохромами c₁ и b, цитохромоксидазой, малатдегидрогеназой и др.), причем каталитическая активность последних при этом заметно изменяется. Поэтому полагают, что роль структурных белков мембран не ограничивается только лишь закреплением ферментов в мем­бране.

Свойства структурных белков мембран в определенной мере предопределя­ются их аминокислотным составом. В них содержатся в высокой пропорции аминокислоты, обладающие гидрофобными радикалами (глицин и аланин — 10—15%, валин, лейцин и изолейцин — в среднем 5—6% каждый, а в ряде случаев — до 9—13%), и сравнительно невелико содержание основных и кис­лых аминокислот. Но самое любопытное состоит в том, что гидрофобные аминокислоты образуют в полипептидной цепи структурных белков мембран локальные зоны (сегменты), включающие 20 и более остатков только гид­рофобных аминокислот и занимающие в общем до 20% от длины всей полипептидной цепи. Это способствует возникновению гидрофобных центров в молекулах структурных белков мембран, в том числе центров, локализован­ных на поверхности глобулы. Указанное обстоятельство в известной мере объясняет высокую способность этих белков к агрегации, а также то, что субъединицы в олигомерах связаны силами слабых взаимодействий.

Из аминокислотного состава структурных белков мембран вытекает еще одно существенное следствие. Содержание в их составе аминокислот, препят­ствующих спирализации, таково, что доля а-спиральной структуры может составить в среднем 40% полипептидной цепи. Действительно, эксперимен­тальные данные, полученные методом инфракрасной спектрофотометрии, дис­персии оптического вращения и кругового дихроизма, убеждают в том, что значительная часть полипептидной цепочки структурных белков мембран находится в а-спиральной форме (от 30 до 50%).

Наконец, еще одно специфическое свойство структурных белков мембран состоит в том, что все они независимо от источника выделения очень охотно связывают фосфолипиды при нейтральных значениях pH. Так как последние сохраняют при этом свой заряд, связывание структурных белков мембран и фосфолипидов идет за счет сил слабых взаимодействий, т. е. при посредстве гидрофобных центров белков и углеводородных радикалов фосфолипидов.

Кроме мембранных белков структурные функции несут белки межклеточ­ного матрикса (коллаген, ретикулин), кристаллины, а также белки ядерного матрикса и цитоплазматического скелета. Число последних, частично или полностью охарактеризованных, достигло сейчас уже нескольких десятков и это одна из самых острых проблем современной белковой химии.

Сократительные белки. Сократительные белки локализованы как в мышеч­ных клетках животных, так и в немышечных клетках примитивных и высоко­организованных живых существ. К их числу относятся миксомиозин (нитевид­ный белок с диаметром молекулы 7,0 нм, выделенный из плазмодия гриба физарума); белки микротрубочек (диаметр субъединицы в трубочке 4,5—7,0 нм), обеспечивающих движение протоплазмы в растительных и животных клетках, миозино- и актомиозиноподобные белки фибриллярного аппарата амебы, ответственные за перетекание ее протоплазмы; белки трубчатых фиб­рилл, участвующих в движении хромосом в процессе деления клетки; белки центральных и периферических фибрилл жгутиков и ресничек простейших, а также жгутиков сперматозоидов; актин и миозин мышечных волокон.

Кроме контрактильных свойств, подавляющее большинство перечислен­ных выше сократительных белков обладает аденозинтрифосфатазной актив­ностью, т. е. соединяет в себе два качества — способность совершать ме­ханическую работу и ускорять химическую реакцию. Это свойство сокра­тительных белков было открыто в 1939 г. В. А. Энгельгардтом и М. Н. Любимовой, которые в октябрьском номере журнала «Nature» (т. 144, с. 688) опубликовали результаты своих опытов в статье под названием «Ми­озин и аденозинтрифосфатаза». Таким образом, эти белки характеризуются механохимическими свойствами. Общей особенностью, присущей сократи­тельным белкам, является также то, что их функция зависит от действия ряда дополнительных белков — активаторов и регуляторов их активности и от присутствия низкомолекулярных соединений (Mg²⁺, Са²⁺, АДФ). Так, например, деятельность актомиозинового комплекса мышц регулируется тро­помиозином и тропонином.

Конкретные сведения о сократительных белках, выделенных из тех или иных источников, отличаются различной степенью полноты и достоверности, а в. ряде случаев противоречивы. Наиболее изучены миозин и актин мышц. Миозин представляет собой волокнистый белок с молекулярной массой 500000 Да, а актин — глобулярный белок с молекулярной массой от 46000 до 58 000 Да (рис. 44). Первичная структура фрагмента цепи миозина протяжен­ностью до 200 аминокислотных остатков, что составляет примерно десятую часть его полипептидной цепи, выяснена. Удалось расшифровать также пер­вичную структуру актина из мышц кролика — белка, состоящего из 374 ами­нокислотных остатков. Актин обладает сильно выраженной способностью к агрегации, протекающей с образованием надмолекулярных структур в виде суперспирализованных длинных двойных нитей.

О других сократительных белках сведения менее полны. Миксомиозин имеет молекулярную массу около 6 000 000 Да и размеры молекул 7 х 400— 500 нм. Сократительный белок из ресничек простейших ближе к миозину мышц по молекулярной массе (400000), аминокислотному составу и свойст­вам. Однако контрактильный белок из фибрилл митотического веретена глобулярен (диаметр глобулы от 15 до 20 нм, М = 880 000); для него характерна субъединичная структура. Тубулин микротрубочек представлен димером с мо­лекулярной массой 110000 Да.

Выяснение структуры и особенно механизма действия сократительных белков представляет огромный интерес и еще очень далеко от завершения.

Рецепторные белки. Выделение рецепторных белков в особую группу свя­зано с интенсивным исследованием механизмов передачи информации в био­логических системах.

Мишенью действия агентов, несущих сигнальные функции, являются ре­цепторные белки, локализованные в мембранном аппарате клетки. Одним из примеров может служить рецептор ацетилхолина — медиатора передачи нервного импульса (см. гл. III). Он представлен олигомерным белком (М = 285 000), составленным из пяти субъединиц (a₂ßyδ), образующих ионный канал (рис. 45). В отсутствие ацетилхолина этот канал закрыт, но после рецепции секретируемого ацетилхолина он открывается на короткое время (до момента разрушения медиатора ацетилхолинэстеразой) и пропускает Na⁺, что сопровождается изменением степени поляризации клеточной мембраны и пе­редачей сигнала через синапс нервной клетки.

Рис. 44. Схема строения сократительных белков мышц:

1 — структура молекулы миозина, составленной из двух полипептидных цепей, включающих около 1800 ами­нокислотных остатков каждая. Большая часть молекулы представлена суперспиралью (горизонтальная часть рисунка), образованной двумя почти полностью спирализованными полипептидными цепями; меньшая — двумя фрагментами полипептидных цепей в глобулярном состоянии, где содержание а-спиралей достигает 30% (головка, ответственная за связывание актина и АТФазную активность). Хвостовая часть (легкий меромиознн) отчленяется от головной части (тяжелый меромиозии) в результате протеолитического расщеп­ления трипсином. Глобулярная часть (головка) отщепляется при протеолизе папаином; II — суперспираль, составленная из глобул актина. Каждый шар на рисунке соответствует молекуле актина (М = 46 000); III — точка прикрепления головной части молекул миозина (показаны стрелками) к суперспирали актина в процессе мышечного сокращения

Рецепция того или иного вида энергии внешней среды органами чувств, как показали работы последнего времени, имеет единый механизм, складыва­ющийся из двух этапов: 1) восприятия энергии стимула рецепторными белка­ми; 2) преобразования энергии стимула особыми белковыми молекулами в специфическую информацию и передача ее в центральную нервную систему.

Сведения о рецепторных белках и механизме их взаимодействия с сиг­налами внешней среды весьма скудны. Представителем фоторецепторных белков является опсин, существующий в виде соединения с ретиналем (родо­псин) и изменяющий свою конформацию, что связано с преобразованием светового сигнала в нервные импульсы в процессе зрительного акта (см. гл. IV, рис. 60). Из вкусовых рецепторных белков изучен сладкочувствитель­ный белок (М = 150 000). Его аминокислотный состав характеризуется высоким содержанием дикарбоновых аминокислот и их амидов, лизина, лейцина, вали­на и пролина. Он способен связывать моносахариды и дисахариды. Обонятельный белок выделен из половых сенсилл самцов дубового шелкопряда; он взаимодействует с половым феромоном самок этого насекомого. В восприя­тии звуковых колебаний и их преобразовании в нервные импульсы придают большое значение холинорецепторным белкам, которые, как показано недав­но, ответственны за проницаемость клеточной мембраны.

Рис. 45. Структура ацетилхолинового рецептора

В верхнем левом углу—олигомерная форма рецептора; показана пространственная структура а-субъединицы (М = 40000), входящей в состав пентамера; окружность в центре пентамера—ионный канал диаметром 0,65 нм. В нижней части рисунка — развернутая структура a-субъединицы рецептора, встроенной в плазматическую мембрану клетки; спиральные участки полипеп­тидной цепи а - субъединицы обогащены гидрофобными аминокислотными радикалами, взаимодействующими с остатками высших жирных кислот фосфолипидной мембраны; с N-конца полипептидные цепи субъединиц гликозилированы и углеводная компонента в целом составляет примерно 20% массы рецептора; С192 и С193 — остатки цистеина, участвующие в рецепции ацетилхолина

Большие перспективы открываются при изучении рецепторных белков насекомых, особенно тех, которые осуществляют рецепцию аттрактантов и репеллентов.

Белки—ингибиторы ферментов. Вещества белковой природы составляют самую многочисленную группу ингибиторов ферментов, причем наиболее изучены из ее состава белки, ингибирующие активность протеаз. Белковые ингибиторы образуют с протеолитическими ферментами стойкие при физио­логических условиях комплексы, в составе которых фермент полностью или частично теряет свою активность. Так как константы диссоциации этих ком­плексов лежат в пределах 10^-12—10^-9 моль, они действительно отличаются высокой прочностью, а ингибиторы, входящие в их состав, — большой мощ­ностью действия.

Выделено и изучено несколько десятков белковых ингибиторов, подав­ляющих активность трипсина, химотрипеина, карбоксипептидазы, калликреина, эластазы, плазмина и других протеолитических ферментов. Многие из них получены в гомогенном кристаллическом состоянии. Молекулярные мас­сы ингибиторов белковой природы колеблются от нескольких тысяч до не­скольких сотен тысяч, но в основном они представлены белками с моле­кулярными массами около 6000 Да. Многие из белков — ингибиторов фер­ментов — являются гликопротеинами. Первичная структура нескольких десятков ингибиторов расшифрована; среди них—ингибиторы трипсина I и II из поджелудочной железы свиньи и быка, соевых бобов, арахиса и фасоли, ингибиторы протеиназ из яда гадюки, лимских бобов и ананаса, ингибитор химотрипсина из картофеля, инактиватор калликреина (тразилол) из легких быка, ингибитор субтилизина из стрептомицета и др.

Белки вирусных оболочек. Из многочисленных вирусов выделены и изучены разнообразные белки. Их молекулярные массы колеблются от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч дальтон. Наряду с основной функцией (защита нуклеиновой кислоты) некоторые белки вирусных оболочек необ­ходимы для созревания вирусных частиц, обладают ферментативной актив­ностью (нейраминидаза, лизоцим и обратная транскриптаза в составе ряда вирусов) и др.

Первичная структура белковых субъединиц многих вирусов выяснена. К их числу относятся субъединицы трех штаммов вируса табачной мозаики (159 аминокислотных остатков), субъединицы бактериофагов fr и f2 (129 оста­тков), бактериофага Q_β (131 остаток), бактериофага ZІ (50 остатков), субъеди­ницы вируса желтой мозаики турнепса (190 остатков) и вируса ядерного полиедроза тутового шелкопряда (244 остатка), субъединицы бактериофага fd (50 остатков), а также ряд белков вируса гриппа (гемагглютинин — 566 и PV2 - 759 аминокислотных остатков).

Удивительной особенностью вирусных белков является их способность к агрегации, вследствие чего даже в отсутствие вирусных нуклеиновых кислот они способны к самосборке в соответствующие, характерные для данного вируса морфологические структуры (тени вирусов и фагов). Кроме того, их структура такова, что концевые аминокислоты, как правило, маскированы в глубине молекулы и труднодоступны для определения.

Белки с иными функциями. Несомненно, что и далее из крайне многочислен­ных конкретных представителей класса белков могут вычленяться новые группы с ясно выраженной функциональной активностью и связанной с нею спецификой структуры и свойств. Так, например, уже сейчас обособляются группа гемоглобинов, группа фибриллярных белков, группа рибосомальных белков и др. Это лишь подтверждает высказанное выше мнение о том, что классификация белков переживает сейчас период становления.