Внеклеточные структуры. Знакомство с полисахаридами и протеинами (белками)

Перед тем как войти в живую клетку, взглянем на ее поверхность, имеющую заслуживающие интереса особенности. Однако найти одиночную клетку нелегко, так как по большей части клетки окружены довольно развитой сетью внешней защиты и «лесами», которые часто полностью прячут клетку от глаза и значительно затрудняют подход к ней. Эти структуры не являются составными частями клетки, но они создаются ими из веществ-предшественников, которые секретируются самими клетками и впоследствии соединяются в различные комбинации практически любой возможной формы и последовательности, от мягкого геля до плотного дерева и скорлупы. Иногда они пропитаны минералами, которые могут придавать их органическому матриксу прочность камня или твердость эмали. Эти внеклеточные конструкции служат своеобразными опорами клетки; именно им клетка обязана той формой, которую жизнь создает на нашей планете. Без них не было бы ни деревьев, ни цветов, ни животных — ничего, кроме аморфной массы илистой слизи, представляющей собой мириады беспорядочно двигающихся друг по другу клеток.

Мечта архитектора

Внеклеточные структуры особенно выражены у растений, где они формируют непрерывный жесткий каркас, в котором каждая отдельная клетка имеет собственную камеру — начальные «клетки», впервые обнаруженные Робертом Гуком в виде микроскопических ячеек в куске пробки. Основной компонент этой твердой сети получил название целлюлозы. Наиболее распространенная среди всех органических веществ на земле, целлюлоза, по определению химиков, есть не что иное, как полимер простого сахара — глюкозы. Полимеры — это гигантские молекулы, образованные многими частями , так называемыми мономерами . Все пластмассы и искусственные волокна представляют собой полимеры. Полимерами являются также основные составные элементы живых организмов, включая полисахариды , к которым принадлежит целлюлоза, и белки (протеины), к которым мы вскоре перейдем. В отличие от искусственных полимеров, которые обычно имеют неопределенную величину, ограниченную по существу матрицей в момент полимеризации, естественные полимеры имеют определенную молекулярную величину. Они состоят из макромолекул , в которых строительные блоки собраны определенным образом. Их молекулярные массы варьируют в основном от нескольких тысяч до нескольких сотен тысяч дальтон (дальтон — масса атома водорода). В исключительных случаях макромолекулы достигают одного миллиона дальтонов или более. Соответственно объем молекул, если они имеют глобулярную структуру, измеряется несколькими нанометрами. Фибриллярные молекулы могут вырастать до нескольких сотен нанометров в длину. Большая часть макромолекул по своему характеру фибриллярна и от природы наделена свойством образовывать характерные мультимакромолекулярные соединения. Часто эти соединения закрепляются химическими поперечными мостиками.
Целлюлоза представляет собой очень простой полимер, состоящий исключительно из одного типа мономера — глюкозы. Таким образом, по своему составу он идентичен крахмалу, основному углеводному резервному веществу растительных клеток, и гликогену, аналогу крахмала в клетках животных. И тот, и другой являются простыми полимерами глюкозы. Однако благодаря особенностям химической структуры целлюлоза чрезвычайно устойчива к разрушению, как химическому, так и биологическому. В очищенном виде она .служит в качестве почти нерасщепляющегося фиброзного компонента хлопка, льна и бумаги и таких химических производных веществ, как ацетат целлюлозы или целлофан. Целлюлозу могут разрушать только некоторые микроорганизмы. Основной экологической нишей этих микроорганизмов является пищеварительный тракт травоядных животных, что вне всяких сомнений только идет на пользу последним, ибо благодаря своим «милым гостям», они в состоянии переваривать целлюлозу. У большинства же других млекопитающих — в том числе и у нас с вами — целлюлоза выделяется в почти неизменном виде. Она составляет волокнистую часть нашей пищи и в значительной степени формирует плотную часть кала. Растения наряду с целлюлозой используют и ряд других структурных молекул. В частности, исключительная упругость деревьев обеспечивается содержанием в них фенольного полимера, называемого лигнином .
Бактерии также полностью окружены плотной стенкой. Она состоит из ряда веществ, характерных исключительно для мира бактерий. Эта стенка действует как защитная оболочка, помогающая бактериальной клетке выдержать тяжелые условия окружающей среды. Благодаря ей бактерии — возбудители инфекционных заболеваний — способны уклоняться от наших средств защиты или сопротивляться им. Оболочка некоторых бактерий даже после их гибели сохраняет способность совершать токсическую атаку. В свою очередь наши собственные клетки, особенно лейкоциты — основные защитники человека — способны «узнавать» только оболочку врага. Они бросаются в бой и в конечном итоге убивают бактерии при помощи сложных движений, обусловленных химическим распознаванием (некоторые из этих механизмов рассматриваются в гл. 4 и 5). Любопытно, что пенициллин и родственные ему антибиотики убивают микробы, нарушая структуру их клеточной стенки, и таким образом блокируют рост бактерий. Лизоцим —- естественный антибактериальный агент, встречающийся в лейкоцитах и в слезной жид-кости, убивает бактерии, разрушая их Стенку.
В животном мире отдельные клетки редко окружены оболочкой. Чаще всего они, тесно прижавшись друг к другу, образуют характерной формы кластеры, которые в свою очередь скрепляются и поддерживаются внеклеточными структурами различного вида. Эти свойства клетки в значительной степени объясняют богатство организации и эволюционную способность животного мира. В качестве примера можно привести развитие нервной системы. К сожалению, у нас нет времени для того, чтобы исследовать архитектурные особенности каждой ткани или органа, которые удивительным образом приспособлены для выполнения своей функции. Посмотрим лишь на основные компоненты, которые используются для этой удивительной конструкторской деятельности. Некоторые из этих компонентов принадлежат к очень важному классу белков, с представителями которого нам предстоит еще не раз встретиться во время нашего путешествия. А теперь наступил момент, когда необходим своего рода брифинг по вопросам химии.

Клетки крови — наши первые спутники

Кровеносные сосуды, особенно крупные артерии, с которых мы начинаем наше путешествие, представляют собой бурные водные пути, ритмически приводимые в движение мощной волной, поднимающейся при каждом ударе сердца. Нас окружают клетки, которые, как и мы сами, крутясь, проносятся мимо в быстром потоке плазмы — жидкой части крови.
Большинство клеток крови представляют собой мелкие двояковогнутые диски, наполненные рубиново-красным веществом. Это красные клетки крови, или эритроциты . Их основные функции заключаются в переносе кислорода из легких в ткани и помощи при возвращении в легкие «отхода» — углекислого газа. Эритроциты играют чрезвычайно важную роль в энергетике организма и содержат необходимый для организма белок — красный переносчик кислорода — гемоглобин. Однако сами по себе клетки вряд ли заслуживают особого внимания, ибо они полностью дегенерируют и по существу обречены на смерть. Эритроциты не содержат ни митохондрий, ни рибосом, ни системы внутриклеточных мембран, а у млекопитающих они не имеют даже ядра.
Изредка мы можем столкнуться с белыми клетками крови, или лейкоцитами . Лейкоциты различаются формой и размерами, но сейчас, во время мимолетных столкновений с ними, мы не успеваем их хорошенько рассмотреть. Позже, в более спокойной обстановке мы познакомимся с ними поближе.
По мере того как сужаются артерии и скорость течения замедляется, нам удается бросить взгляд на клетки, выстилающие стенки кровеносных сосудов. Это эндотелиальные клетки , образующие сплошной слой, чем-то напоминающий неравномерно выложенную черепичную крышу или мостовую. Они настолько плоские, что их ядра выдаются в просвет сосуда; от этого стенка сосуда приобретает холмистый вид. Клетки эндолиальные плотно соединены между собой контактами разного типа и образуют тонкую, непрерывную трубчатую оболочку, служащую важнейшим фильтром и регулятором обменных процессов между кровью и тканями. Такого типа контакты характерны не только для эндотелия. Большинство клеток соединены между собой подобным же образом и организованы в оболочки, столбики, кластеры, мешочки или другие различные многоклеточные структуры, из которых построены ткани и органы. Наиболее прочными межклеточными контактами являются десмосомы , в которых две клетки соединены плотной связью и скреплены пучками ‘поперечно идущих волокон, проникающих глубоко в их цитоплазму. Эти волокна носят название тонофиламентов . Имеются несколько других типов контактов клеток, включая контакт, названный щелевым, в котором соседние клетки соединены плотно упакованными рядами полых цилиндрических «кольев» длиной примерно 15 нм и диаметром 8 нм; диаметр внутреннего отверстия составляет 1,5 — 2 нм. Проникая своими концами в мембраны соседних клеток, эти структуры связывают клетки, разделенные узкой щелью, но позволяют по своим внутренним каналам осуществлять межклеточный перенос электрических токов и небольших ионов и молекул.
Без дополнительных поддерживающих структур образующиеся посредством этих контактов многоклеточные содружества не смогли бы выдержать даже ничтожное напряжение. Сами контакты устояли бы, но не устояли бы соединяемые с их помощью мебраны, которые, как мы увидим в дальнейшем, представляют собой очень тонкие пленки, вряд ли плотнее мыльных пузырей. Кровеносные сосуды особенно нуждаются в таком укреплении, чтобы выдержать давление, оказываемое на них сокращениями сердца. Поэтому крупные артерии .окутаны толстой эластичной обо-лочкой, почти непроницаемой даже для мельчайших молекул. Но по мере того как сосуды суживаются и кровяное давление падает, стенка сосудов становится все тоньше. Когда мы достигнем капилляров, самых узких, не толще волоса протоков , то обнаружим, что внутренняя выстилка — эндотелий — покрыта лишь тонкой оболочкой, называемой базальной мембраной . Именно здесь в основном осуществляются все виды обмена веществ между кровью и тканями. Вот почему и нам пора покинуть капилляр, если мы не хотим оказаться подхваченными идущим в обратном направлении током венозной крови. Но для этого необходимо вскрыть контакт между двумя соседними эндотелиальными клетками. Пока мы прикидываем, как бы приступить к этой задаче, нам неожиданно приходит помощь со стороны проплывающего мимо лейкоцита, который на наших глазах резко меняет свое поведение.
Только что эта клетка еще перемещалась в общем потоке. Теперь же она прилипает к эндотелию и с силой вползает в него, неистово прокладывая себе путь между двумя клетками. Так мы становимся свидетелями хемотаксиса — ответной реакции на некоторые химические вещества. Встретив на своем пути такое вещество, клетка начинает двигаться по направлению увеличивающейся концентрации вещества, т. е. по направлению к его источнику, прокладывая себе путь через все преграды с помощью специально для этой цели секретируемых ферментов. Этот удивительный и до сих пор малопонятный феномен вызывается веществами, которые обычно выделяются в области повреждения ткани или бактериальной инфекции. Хемотаксис — чрезвычайно полезное для живого организма явление, так как благодаря ему лейкоциты автоматически доставляются туда, где их защитные свойства необходимы. А нам благодаря этому защитному механизму удалось пройти сквозь щель в стенке капилляра.

Прохождение сквозь внеклеточные структуры

При выходе из сосуда во внеклеточное пространство нашему взору открывается поистине устрашающее зрелище, при виде которого на память невольно приходят сцены из диких джунглей, столь любимые художниками-иллюстраторами первых книг о дальних путешествиях. Разница лишь в том, что наблюдаемые нами сцены разыгрываются в подводном царстве. Между толстыми стволами, наклонившимися во всех’ направлениях, тянутся густые переплетения лианоподобных нитей (филаментов). В одних местах эта сеть почти непроходима, в других она представляет собой тончайшую филигранную вязь. Так, по крайней мере, нами воспринимается этот мир на молекулярном уровне через наши увеличивающие в миллион раз «очки». Если мы уменьшим увеличение в несколько сотен раз, то обнаружим, что этот кажущийся молекулярный беспорядок преобразуется в микроскопический порядок в виде волокон, покрытий, пластин и других структурных элементов.
Основным молекулярным компонентом этих внеклеточных структур является коллаген — вещество, которое промышленным способом извлекается из костей, и используется для получения желатина и клея. Отсюда и произошло его название . Коллаген представляет собой белок. Основной его единицей является длинная полипептидная цепь из 1055 аминокислот. Особенно богат он такими аминокислотами, как глицин, пролин и гидроксипролин. Обратите внимание на то, что гидроксипролин не значится в списке 20 аминокислот, приведенном в табл. 1. Он образуется из остатков пролина уже после синтеза полипептида и характерен для коллагена. Специфичной чертой этого полипептида является также его скручивание в лево-закрученную спираль с шагом примерно 1 нм, совершенно отличную от а-спирали, упомянутой раньше. Три такие цепи объединяются в правозакрученную спиральную нить толщиной примерно 1,5 нм и длиной 300 нм с 3-нм повторением (или 9-нм шагом каждой отдельно взятой цепи).
Эта свитая из трех нитей молекула, называемая тропоколлагеном , является строительным материалом для коллагена. Пользуясь «молекулярными очками», мы увидим этот строительный блок в виде короткой веревочки толщиной чуть более ‘1/го дюйма и длиной почти в фут. Способность этого хрупкого материала образовывать окружающие нас массивные стволы объясняется природной способностью молекул тропоколлагена соединяться бок о бок в виде лесенки. Это свойство позволяет им спонтанно собираться в волокна практически любой длины и толщины. Расположение нитей таково, что С-терминальные головки соседних молекул тропоколлагена отстоят ступенеобразно друг от друга точно на 67 нм. Для размещения полной молекулы тропоколлагена (300 нм) необходимо как минимум пять повторяющихся ступеней (335 нм), при этом между головками и хвостами двух последовательно расположенных молекул остается щель в 35 нм. Поскольку эти щели расположены точно относительно друг друга по всей толщине волокна, в итоге образуются характерные поперечнополосатые структуры, отстоящие друг от друга-на 67 нм. Каждая полоса соответствует участку, где ‘Д толщины волокна полая. Это свободное пространство играет важную роль. В кости, например, в нем происходит минерализация.
Тропоколлаген является предшественником молекулы, названной проколлагеном, в состав которой входят дополнительные терминальные и С-участки, предупреждающие преждевременную самосборку. Только после выделения проколлагена во внеклеточное пространство происходит его обработка ферментами, удаляющими лишние части. Образовавшиеся таким образом волокна подвергаются дальнейшим изменениям, включая укрепление за счет поперечных связей. Принято считать, что эти процессы продолжаются в течение всей жизни организма и причастны к наблюдаемому по мере старения организма снижению эластичности соединительнотканных структур.
Коллагеновые волокна — основные компоненты жесткого каркаса, посредством которого укрепляются поддерживающие структуры. Эти волокна можно уподобить стальным прутьям в железобетоне или волокнам стекловолокна. Расположенные параллельными пучками, они участвуют в создании самых разных продольных частей организма, вплоть до связок и сухожилий. Их пространственные переплетения формируют каркас тканей и органов, включая части собственно скелета, такие, как хрящ и кость.
Эти разнообразные структуры строятся из нескольких различных типов коллагена. Один из них, тип IV, обычно встречается в плоских образованиях. В сочетании с другими белками, такими, как ламинин и фибронектин , и протеогликанами {см. ниже) он образует эластичное пластинообразное вещество толщиной 50—100 нм, из которого состоят так называемые базальные мембраны. Термин «базальные мембраны», возникший на заре гистологии, нельзя считать удачным. Строение базальных мембран в корне отличается от строения клеточных мембран, с которыми нам предстоит встретиться. По существу они представляют собой стенки. Иногда они окружают отдельные клетки, уподобляясь стенкам бактериальных или растительных клеток, однако чаще окружают или поддерживают многоклеточные образования различных форм и размеров. Одной из функций базальной мембраны является снабжение клетки покрытием, благодаря которому последняя в состоянии ползать или прикрепляться. Другая функция — служить молекулярным фильтром. Базальные мембраны капилляров играют особенно важную роль при отборе веществ, которые проникают из крови в ткани. Наиболее совершенный по структуре и функции < такой фильтр находится в капиллярах мозга (так называемый гематоэнцефали- ческий барьер). В некоторых участках, например в артериальной стенке, используется другой филаментозный белок — эластин. Подобно коллагену, эластин собирается в нити, которые в свою очередь формируют более сложные стуктуры, главным образом волокна и плоские пластины, или ламеллы. Однако в отличие от аналогичных структур, построенных из коллагена, эластиновые волокна стремятся принять волнистую или ребристую форму, что позволяет им растянуться до полутора раз и вновь спонтанно сократиться, как только закончится растяжение. Как свидетельствует само ваз- вание, эластин придает эластичность (упругость) соответствующим образованиям. Подобно железобетону или стекловолокну, фиброзная сеть поддерживающих структур погружена в аморфный метрике, или наполнитель, носящий название основного вещества, которое на молекулярном уровне представляет собой ячеистое образование из тонких макромолекул. Эти молекулы включают ряд важных полисахаридов, многие из которых одним концом прикреплены к протеиновому стержню (протеогликаны). В зависимости от природы макромолекул и их жесткости образующийся матрикс может быть либо вязкой жидкостью, либо вести себя как гель, либо достигать твердости и упругости хряща или панциря морского рака. Иногда, как, например, в костной ткани, зубах, кораллах, в раковинах моллюсков и в других биоминеральных структурах, матрикс в значительной степени заполнен кристаллическими отложениями минеральных солей. Как правило, на пути в клетку встает еще одно препятствие: богатое углеводами покрытие, так называемая поверхностная оболочка, или глйкокаликс (греч. ка1ух — оболочка). Ее толщина и внешний вид варьируют в зависимости от типа клетки от едва различимого нежнейшего пушка до настоящей базальной мембраны. Связанная с клеточной мембраной относительно слабыми силами, поверхностная оболочка служит для поддержания определенного микроокружения вокруг клеток, защищая их от некоторых физических или химических воздействий, а также помогая им распознавать родственные структуры и устанавливать связи с ними и с соединительнотканными структурами.

Немного о белках

В 1838 г. голландский химик Герардус Иоганнес Мульдер, один из пионеров в области анализа альбуминоидов (лат. а1- Ьиз — белый, а1Ьитеп — белок яйца), употребил термин «протеин» (греч. рго1еюз — основной, первичный) применительно к веществу, которое он считал основной составной частью коагулирующих при высокой температуре азотных соединений, таких, как фибрин крови, казеин молока и альбумин яйца (как раз к тому времени эти соединения начали относить к одному общему классу). Сам термин «протеин» был предложен Мульдеру шведским ученым Йёнсом Якобом Берцелиусом, одним из основоположников химии и «отцом» теории катализа.
Если вспомнить, когда все это происходило, то не приходится удивляться тому, что и Мульдер, и Берцелиус многое понимали чрезмерно упрощенно, тем не менее предложенная ими терминология окaзалась пророческой. Как выяснилось позднее, протеины не только первичные агенты всех процессов жизнедеятельности, — они, подобно своему тезке Протею, древнегреческому морскому божеству, обладают способностью принимать бесчисленные, самые разнообразные формы1.
Мы в этом легко убедимся, настроив наши «молекулярные очки» до высокой разрешающей способности, позволяющей детально рассмотреть предметы величиной всего в несколько нанометров. Даже при увеличении в миллион раз такие объекты все еще будут выглядеть не больше комара. Однако если рассмотреть под соответствующим увеличительным стеклом структуру комаров и других существ, равных им по размеру, то нашему взору откроется множество разнообразнейших форм и структур. Ту же картину можно наблюдать, изучая белки при дальнейшем увеличении. Разница лишь в том, что их формы более абстрактны и своими изящными изгибами скорее напоминают биоморфные скульптуры Ганса Арпа, нежели суставные угловатости (изгибы) насекомых. Одни белки имеют глобулярную, почти сферическую форму, другие, менее правильной формы, изогнуты, извиты или покрыты бугорками, третьи вытягиваются в тонкие нити, нередко спирально закрученные. Форма белков изменчива: они набухают, пульсируют, удлиняются, сокращаются или раскручиваются, иногда с ошеломляющей внезапностью.Большая часть белков находится внутри клетки, где основная их функция связана с катализом. Если бы шведский химик Берцелиус мог узнать об этом, он, несомненно, пришел бы в восторг, ибо именно он ввел этот термин для обозначения свойства некоторых веществ (получивших название катализаторов) облегчить протекание реакций, непосредственно не принимая в них участия. Известно, что существуют неорганические катализаторы, они применяются в химической промышленности, но в живой клетке обнаружены настоящие фокусники-катализаторы. Жизнь, даже если это жизнь ничтожного микроба, возможна только при наличии многих тысяч химических реакций; большинство из них в искусственных условиях воспроизвести невозможно, а если это и удается, то только при определенных условиях — высоком давлении и температуре или кислой среде, — которые несовместимы с жизнью. В живых клетках, однако, эти реакции осуществляются необычайно просто и быстро благодаря участию специфических катализаторов, называемых энзимами. Это слово, которое образовано от греческого гуте (дрожжи, закваска), напоминает нам о той исторической роли, которую сыграли исследования процесса алкогольной ферментации в описании первых внутриклеточных катализаторов (см. гл. 7). Был также принят термин «фермент», который сейчас оставлен2.
Практически каждая химическая реакция, происходящая в живом организме, протекает при участии специфического фермента, действие которого, как мы увидим во второй части нашего путешествия, часто дополняется одним или несколькими кофакторами, или коферментами. Все известные нам ферменты являются белками, следовательно, число различных вариантов белков значительно — по меньшей мере, несколько тысяч в каждой клетке; они обычно составляют около 20 % от ее веса, т.е. половину сухого веса (клетки). Помимо выполнения своей функции катализаторов белки принимают участие в таких процессах, как регуляция, транспортировка, передвижение и многие другие, а также играют важную, роль, будучи компонентами внутриклеточных и внеклеточных структур. Иными словами, белки действительно являются основной составной частью живой клетки.
Под воздействием высокой температуры или других физических или химических агентов белки легко теряют не только свою уникальную форму, но и свою каталити чешскую силу. Этот процесс называется денатурацией. Долгое время процесс денатурации считался необратимым, и это положение выдвигалось в качестве аргумента, доказывающего, что процесс сборки живых структур должен управляться особой силой или особым принципом. Сейчас эта точка зрения устарела; доказано, что в ряде случаев денатурация обратима.
В форме, присущей молекуле белка, нет ничего исключительного, она представляет собой не что иное, как наиболее вероятную конфигурацию, которую молекула примет в соответствующих условиях.
Весьма поучительно через наши «молекулярные очки» взглянуть на смесь денатурированных белковых молекул — все они выглядят одинаково и различаются только размерами. Вместо множества замысловатых, интересных и своеобразных форм и структур перед нами окажется клубок спутанных, длинных, чрезвычайно тонких нитей. Теперь, полагаю, нам легче понять, почему денатурация часто выступает как необратимое явление: отдельная нить не в состоянии выпутаться из общего клубка и принять характерную для нее форму, если для этого не будут созданы особые условия. Что еще важнее, благодаря денатурации мы получаем возможность увидеть в структуре молекулы белка нечто такое, что в противном случае могло бы ускользнуть от нашего внимания. Все белки являются нитевидными молекулами. Бесчисленное множество форм, которое мы наблюдаем, обусловлено спиралями и изгибами нитевидно расположенных атомов.
Как мы знаем из химии, общей структурой, объединяющей все эти различные формы, является остов (цепь), который образован из простой шестиатомной повторяющейся единицы, встречающейся до нескольких сотен раз:
Центральный атом углерода каждой единицы в структурной цепи имеет одну свободную валентность. Она может соединиться с одной из двадцати различных химических групп, ответственных за специфические свойства, которые отличают одни молекулы белка от других. Связь между единицами называется пептидной. Этот термин напоминает нам о том, что эта связь гидролизуется пищеварительным ферментом — пепсином, компонентом желудочного сока :
В результате расщепления всех этих связей в данной цепи образуются вещества следующей структуры:
Эти вещества называются аминокислотами, так как содержат аминогруппу (—nН2) и карбоксильную группу (—СООН). Более точное их название а-аминокислоты, поскольку обе группы присоединяются к а-углероду. Еще более точным обозначением является термин Ь-а-аминокислоты, ибо все они (за исключением оптически не-активного глицина) имеют конфигурацию типа Ь вокруг асимметричного а-углерода. Их стереоизомеры, 13-аминокислоты, встречаются в некоторых компонентах бактерий, включая антибиотики, но не в белках.
В образовании белков участвуют 20 различных аминокислот. Их структуры соответствуют (за исключением одного варианта, пролина) приведенной выше формуле и различаются только составом боковой-группы, К. Названия аминокислот,
их сокращения и условные обозначения приведены в табл. 1. Позже мы узнаем, что некоторые из этих условных обозначений используются также для обозначения нуклеозидов — другой важной группы веществ. В соответствующем контексте смешать их трудно. Там, где такая опасность все-таки существует, принято использовать сокращения из трех букв.
Аминокислоты, связанные между собой пептидной связью, называются остатками, а возникающие цепи — пептидами. Зачастую термину «пептид» предшествует греческий префикс, обозначающий число остатков аминокислот в цепи: например, ди; три; тетра; пента; олиго (мало); поли (много).
В целом пептидные цепи соответствуют общей структуре:
Они имеют свободную концевую аминогруппу (N-терминальную слева), свободную концевую карбоксильную группу (С-терминальную справа) и n— 1 пептидных связей.
Пептиды различаются числом (п), природой, порядком или последовательностью своих аминокислотных остатков. Их можно «сравнить со словами разной длины, в написании которых использован алфавит, состоящий из двадцати букв. Это особенно наглядно видно, если в записи использованы однобуквенные символы.
Пептиды представляют собой подвижные структуры благодаря присущей им способности вращаться вокруг N—С- и С—С- осей. Вращения вокруг самой пептидной связи не происходит. В результате пептиды приобретают более или менее извитую форму в зависимости от того, притягиваются или отталкиваются отдельные их части, а также от способности этих частей связывать или выделять молекулы воды. Кроме того, извилистость (складчатость) пептидной цепи часто зависит от наличия веществ, с которыми она способна соединяться. Многие подобные взаимодействия имеют физическую природу и не вызывают образования истинных химических (ковалентных) связей. Характер этих взаимодействий зависит от двух сил, которые часто называют именами открывших их исследователей: французского физика Кулона и голландского физика Ван-дер-Ваальса.
Силы Кулона — это электростатические силы. Под их воздействием происходит притяжение электрических зарядов с противоположными знаками и отталкивание электрических зарядов с одинаковыми знаками. В состав некоторых аминокислот входят К-группы, которые заряжены либо положительно, либо отрицательно при физиологических условиях. Другие аминокислоты, не будучи заряженными, поляризованы, иными словами, в них наблюдается локальное перемещение зарядов, создающее положительный и отрицательный полюсы. Все эти группы могут взаимодействовать электростатически.
Полярные, содержащие атом водорода, группы могут электростатически соединяться с отрицательными или отрицательно поляризованными группами посредством особой водородной связи, при которой атом водорода принадлежит обеим группам. Ниже представлен один из таких видов связи, играющий очень важную роль Эта связь (пунктирная линия) может соединять два пептида. Поэтому она играет важную роль в конформации белков и соответственно во всех структурных, каталитических и других функциональных свойствах, зависящих от этой конформации. Несколько позже, в ходе нашего путешествия мы увидим, что феномен попарного соединения оснований в нуклеиновых кислотах, определяющий передачу всей генетической информации в живом мире, зависит от такой же связи и от другой, сходной водородной связи:Ван-дер-ваальсовы силы ответственны за притяжение, существующее между неполярными группами, состоящими только из углерода и водорода, такими, как в углеводородах, входящих в состав бензина и других нефтепродуктов. В ряде аминокислот встречаются К-группы, способные устанавливать связи посредством ван-дер-ваальсовых сил.
Ключевым моментом при всех этих взаимодействиях является асимметричность молекулы воды, благодаря которой она становится полязированной:Таким образом, молекула воды способна соединиться электростатически со всеми электрически заряженными или поляризованными группами, которые по этой причине получили название гидрофильных. В отличие 6т этих групп неполярные группы не имеют сродства к воде; они гидрофобны, т. е. отталкивают воду. Это явление всем нам хорошо знакомо: так, масло с водой не смешивается, поверхности некоторых пластиков не промокают — они гидрофобные. Правда, термин «гидрофобный» в какой-то мере может ввести в заблуждение. Строго говоря, гидрофобные группы воду не отталкивают; они отталкиваются водой в результате сильной гидрофильности самих молекул воды, тесно соединенных друг с другом водородными связями.
Поскольку клеточная среда в значительной степени содержит воду, взаимодействия с водой оказывают большое влияние на конформационные изменения полипептидной цепи. Упрощенно картина выглядит так: полипептидная цепь принимает форму, при которой наибольшее число гидрофильных групп оказывается на ее по-верхности или в щелях, доступных воздействию воды, тогда как гидрофобные группы размещаются во внутренних, недоступных для воды участках, где они имеют возможность взаимодействовать между собой. Белки, в которых возможна сегрегация групп на основе аффинитета к воде, обычно растворимы в ней, в то время как белки, не способные окружить себя гидрофильной оболочкой, размещаются в гидрофобных областях, где их гидрофобные участки попадают под влияние сил, действующих по типу ван-дерваальсовых. Как мы вскоре увидим, такими структурами в основном являются мембраны.
Важным фактором, определяющим конформацию белков, является тенденция по-липептидных цепей скручиваться в спиралевидную структуру, стабилизированную водородными связями между расположенными по соседству пептидными цепями. Наиболее часто встречается структура типа «-спирали с шагом (между витками) 0,54 нм, содержащая 3,6 остатков в одном витке. а-Спираль образует относительно неподвижный стержень толщиной примерно 1 нм с узловатой поверхностью, образованной К-группами остатков. Некоторые аминокислоты не могут приспособиться к этой структуре и разрывают ее. Поэтому а-спиральные участки обычно относительно коротки. Целые молекулы белка обычно содержат несколько таких стержней, соединенных (обычно под углом) группами менее упорядоченной конфигурации. В исключительных случаях последовательность полипептида такова, что позволяет поддерживать расположение а-спирали на значительном протяжении. Подобные молекулы по своей природе нитевидные. Кроме а-спирали возможны и другие расположения пептидов; иногда две или три полипептидные цепи закручиваются вместе (это так называемые суперскрученные спирали) и придают структуре нитевидную форму. Функция таких волокнистых белков в основном связана со структурной функцией и передвижением.
Помимо указанных внутренних факторов форма, принимаемая полипептидной цепью, зависит также от взаимодействия между самой цепью и другими молекулами белковой или небелковой природы. Многие наиболее важные функции белков зависят именно от таких взаимодействий, подчас оказывающих решающее влияние на кон- формацию соответствующих молекул. Иногда данная структура скрепляется истинной ковалентной связью между двумя участками одной и той же полипептидной цепи или между двумя цепями. Наиболее типичной связью этого типа является дисульфидная связь —8—5—, которая возникает при окислении тиоловых (—5Н) групп из двух цистеиновых остатков:
Многие белки состоят из одной полипептидной цепи; другие содержат две или более отдельные цепи или субъединицы, связанные между собой нековалентными силами притяжения, а иногда ковалентными связями, такими, как дисульфидные мостики.