Принципы структурной организации белков - Г. Шульц 1982

Предисловие редактора перевода

Все биологические процессы осуществляются при непременном участии белков. Они служат регуляторами генетической функции нуклеиновых кислот, в качестве ферментов участвуют во всех стадиях биосинтеза полипептидов, полинуклеотидов и других соединений, катализируют все метаболические процессы. Особые сократительные белки ответственны за клеточные и внутриклеточные движения. В комплексе с липидами белки входят в состав мембран, обеспечивая активный транспорт метаболитов в клетку и из нее. Белки служат для запасания и переноса кислорода. Низкомолекулярные полипептиды, гормоны, стимулируют функциональную активность в клетках других тканей и органов. Белки осуществляют иммунологическую функцию, защищая организм от чужеродных соединений. Они входят в состав кожи, волос, соединительных тканей, костей и т. д., выполняя динамическую опорную функцию, обеспечивая тем самым взаимосвязь органов, их механическую целостность и защиту. Это далеко не полный перечень осуществляемых белками функций.

Возможность реализации столь различных по своему характеру и чрезвычайно многообразных по спектру действия функций не может быть прямо связана с химическим составом белков, так как все они полипептиды и построены из одних и тех же аминокислотных остатков. Уникальные свойства белковых молекул объясняются прежде всего особенностями их пространственного строения, которое в зависимости от последовательности одних и тех же аминокислот может быть весьма разнообразным.

В основе биологических процессов, их высокой эффективности, строгой избирательности, взаимообусловленности и автоматизма лежат тонкие структурные соответствия взаимодействующих соединений, определяемые главным образом спецификой пространственной организации и динамическими конформационными свойствами белковых молекул. Поэтому решение практически любой биологической проблемы неминуемо сталкивается с необходимостью изучения трехмерных структур белков. Уровень наших знаний в этой области в значительной степени определяет развитие многих направлений не только в биологии, но и в медицине, фармакологии и ряде других смежных наук. Это делает проблему пространственной организации белковых молекул самой актуальной, ключевой проблемой биологии.

Книга Шульца и Ширмера «Принципы структурной организации белков» — первая в мировой литературе монография, в которой рассматриваются общие вопросы пространственного строения белков и на этой основе их биологические функции. Основное достоинство книги — широкий охват рассматриваемых вопросов, причем главное внимание направлено на механизм свертывания полипептидной цепи в нативную конформацию белка и на структурно-функциональную зависимость. Обсуждение различных аспектов структурной проблемы белка проведено на высоком профессиональном уровне.

Монография построена как вводный курс по пространственной организации и функционированию белков. В ней кратко излагаются основные сведения об аминокислотных остатках, природе межостаточных и гидрофобных взаимодействий, структурной иерархии и т. д. вплоть до взаимодействия белков с другими молекулами, а также проблемы ферментативного катализа и механохимическая функция сократительных белков. Книга написана логично, простым, ясным языком, хорошо иллюстрирована и снабжена обширным библиографическим списком. Знакомство с этим материалом подготовит читателя к углубленному усвоению специализированной литературы о пространственном строении наиболее сложных из известных современной науке молекул.

Можно с уверенностью сказать, что выход в свет книги Г. Шульца и Р. Ширмера на русском языке будет встречен научной общественностью нашей страны с большим интересом. Книга безусловно окажется полезной многим исследователям, работающим в самых разных областях биохимии, биофизики и общей биологии.

Е. Попов

Предисловие редактора серии ’’Springer Advanced Texts in Chemistry«

Читатель постоянно снабжается новыми учебными пособиями по химии. Причем такие области, как, например, общая биохимия, теоретическая органическая химия (и прежде всего ее направление, изучающее механизмы органических реакций) и химическая термодинамика, хорошо обеспечены превосходными книгами, многие из которых после переработки и дополнений переиздаются; это позволяет учесть все последние достижения. Однако другие области химии, особенно те из них, которые изучаются как спецпредметы студентами выпускных курсов высших учебных заведений, страдают от фактического отсутствия современных учебников. Это относится прежде всего к быстро прогрессирующим областям. Авторами учебников по таким спецпредметам обычно должны быть ученые, которые непосредственно вносят вклад в исследования, продвигающие данную область. Не всегда легко убедить таких людей выделить время для распространения накопленных ими знаний. Наша цель — выявить области химии, развитие которых опережает содержание уже существующих учебников, найти специалистов по этим областям и убедить их написать не очень пространные, но содержательные пособия-введения в соответствующие области. В некоторых случаях появление таких пособий, в свою очередь, может оказать стимулирующее воздействие на развитие новых направлений.

Нью-Йорк декабрь, 1978

Чарльз Р. Кантор

От авторов

Из четырех основных типов биополимеров — нуклеиновых кислот, полисахаридов, липидов и белков — последние наиболее изучены к настоящему времени, поскольку они доступнее для выделения и анализа. Белки оказались на переднем крае исследования биополимеров более столетия назад, когда Кюне [1] выделил и охарактеризовал фермент трипсин, а Хоппе-Сейлер [2] получил кристаллы гемоглобина. Эти опыты показали, что белки имеют вполне определенную структуру, что, однако, не было общепризнанным до тех пор, пока не удалось непосредственно наблюдать детали их атомного строения с помощью дифракции рентгеновских лучей.

На сегодняшний день известны структуры более 70 белков*. С практической точки зрения эти структуры могут быть использованы биохимиками и фармакологами в качестве моделей при постановке и интерпретации их экспериментов. Цель данной книги — рассмотреть некоторые общие закономерности, которые следуют из анализа и сопоставления известных белковых структур. Эти закономерности необходимы для понимания взаимосвязи между информацией об аминокислотной последовательности белка, хранящейся в ДНК, и его функцией в организме. Кроме того, знание основ облегчит и более широкое использование трехмерных структур белков в научных и практических целях. Сама возможность сформулировать общие для всех белков структурные принципы свидетельствует о существовании однотипного механизма пространственной организации белковых молекул, несмотря на все разнообразие их функций. Для биологической медицины это могло бы означать, что глубокое понимание физиологических и патологических процессов на молекулярном уровне — не утопия и что вполне возможно строго целенаправленное влияние на эти процессы.

Главы книги вполне самостоятельны. Их можно изучать в произвольном порядке, но тем, кто не знаком со структурой белков, мы рекомендуем вначале ознакомиться с седьмой главой. Мы хотели бы поблагодарить наших коллег, предоставивших графический и цифровой материал, а также всех, кто помогал нам при подготовке рукописи.

Г. Е. Шульц Р. X. Ширмер

Гейдельберг декабрь, 1978

* За время, прошедшее с момента выхода этой книги на английском языке, получены кристаллографические структуры еще приблизительно для такого же количества белков. — Прим. ред.