Для обозначения небелковой части молекулы сложного белка принят термин просте- тическая группа. Если соединение с белком осуществляется не ковалентными, а слабыми типами связей, то ее обычно называют кофактором. Белковую часть молекулы сложного белка обозначают как апопротеин. В зависимости от строения проететичеекой группы, принято различать следующие группы сложных белков:
фосфопротеины;
гликопротеины;
липопротеины;
нуклеопротеины;
хромопротеины;
металлопротеины.
Фосфопротеины несут в себе остатки фосфорной кислоты (Н3РО4). С белком она соединяется ковалентно, образуя сложноэфирную связь с радикалом серина, треонина, реже
тирозина. В физиологических условиях обе свободные гидроксильные группы фосфата почти полностью диссоциированы, придавая белковой молекуле сильный отрицательный заряд. Этот новый «опознавательный знак» может оказаться необходимым для узнавания определенного лиганда или, напротив, «отпугивать» его. Но наиболее важным эффектом является изменение конформации белковой молекулы, которое может сильно повлиять на интенсивность ее функционирования. Поэтому природа широко использует такую простую реакцию — фосфорилирование (или дефосфорили- рование) - для управления активностью ферментов, преобразования (транедукции) внешних сигналов внутри клетки и вообще для регулирования многих функций. Конкретные примеры будут рассмотрены в дальнейшем изложении.
Иногда в молекуле белка имеется множество фосфатных остатков. Это относится, в частности, к казеину - главному белковому компоненту молока. С фосфатными группами легко связываются ионы Са2+. Поэтому казеин нередко рассматривают как транспортную форму кальций-фосфата. Аналогичную роль играет фосвитин яичного желтка, который содержит до 10% фосфора. В костной ткани и зубах фосфопротеины участвуют в процессе отложения кристаллов фосфорнокальциевых солей.
Глнкопротеины названы так по наличию в их молекуле хотя бы одного углеводного фрагмента. Присоединяется он к белку за счет своего полуацетального гидроксила. Иными словами, формируется не сложноэфирная (как в фосфо- протеинах), а гликозидная связь. Для ее образования апопротеин «предоставляет» обычно гидроксильную группу серина или треонина (О-гликозидное соединение), но нередко - амидную группу радикала аспарагина (1Ч-гликозид- ное связывание). Изобилуя кислородом, углеводные компоненты усиливают гидрофильные свойства поверхности белковой молекулы.
Простетическая группа редко бывает представлена одним моносахаридом (обычно это Ь-фукоза, В-глюкоза или М-ацетил-Б- глюкозамин, присоединяемые О-гликозидной связью). Как правило же, апопротеин несет на себе одну или несколько олигосахаридных цепочек, насчитывающих до 20 моносахаридных звеньев. Концы этих цепочек могут быть разветвлены, образуя «усики» («антенны»). Иногда на этих «усиках» бывают фосфатные группы. В состав гликопротеина часто входят разные как О-, так и И-олигосахариды.
Рис. 1-25. Моносахариды и их производные, обнаруживаемые в олигосахаридных цепочках гликопротеинов.
Хотя в природе обнаружено около 200 моносахаридов, практически только 8 из них используются для построения олигосахаридных цепочек гликопротеинов (рис. 1-25). Этого, однако, вполне хватает, чтобы обеспечить огромное разнообразие гликановых фрагментов. Оно используется при построении клеточных рецепторов, а также для обеспечения избирательности белок-белковых взаимодействий и специфичности контактов клеток между собой и с внеклеточными белками. Еще одна важная функция углеводных цепочек заключается в защите своих апопротеинов от разрушения ферментами протеолиза на путях миграции этих белков внутри клетки, их сортировки и секреции, пребывания вне клеток. Именно поэтому гликопротеинами являются почти все внеклеточные белки, включая глобулины плазмы крови.
В гликопротеинах белковая часть молекулы обычно сильно преобладает над углеводной. Гораздо позже были обнаружены макромолекулы с обратным соотношением этих компонентов. Их назвали протеоглшанами. Углеводы здесь представлены неразветвлен- ными полисахаридными цепями длиной в десятки и даже сотни моносахаридных звеньев. Как и в гликопротеинах, одним своим концом гликановая цепь присоединена к апопротеину О-гликозидной связью (иногда - 1Ч-гликозид- ной). Обычно в молекуле протеогликана содержится от 50 до 200 полисахаридных цепей, а нередко - еще и множество олигосахаридных
фрагментов. В итоге совокупная масса глика- нов превышает (иногда - очень значительно) массу белкового компонента. Это и стало критерием для разграничения гликопротеинов и протеогликанов.
Со временем, однако, этот критерий утратил свою однозначность. С одной стороны, оказалось, что ряд протеогликанов содержат лишь несколько полисахаридных цепей, так что белковая часть в них сильно преобладает. С другой стороны, недавно установлено, что муцин (главный белок слизистых выделений), хотя и содержит до 90% углеводов, не имеет в своем составе полисахаридных цепей: вся его небелковая часть представлена только олигосахаридами. Стало ясным, что принадлежность к протеогликанам определяется наличием полисахаридных цепей, а не долей углеводов в молекуле. Почти все протеогликаны сосредоточены в межклеточном веществе, поэтому детали их строения будут рассмотрены в главе «Соединительная ткань» (раздел 10.3.3.).
В настоящее время все чаще употребляют термин «гликоконъюгаты» для общего обозначения и гликопротеинов, и протеогликанов.
Липопротеины резко выделяются среди всех других белков. Причиной тому является высокая гидрофобность небелкового компонента. Иногда он представлен нейтральными жирами (триацилглицеролами), но чаше — более сложно устроенными липидами, в составе которых, впрочем, тоже преобладают неполярные структуры.
Подробно строение липидов будет рассмотрено в главе 3. А пока отметим лишь одну особенность: нековалентный характер соединения липидов со своими белками (их теперь часто обозначают как инолипопротеины). Определенный вклад в такое объединение могут вносить ионные и водородные связи, формируемые с участием полярного фрагмента липидных молекул. Но главную роль играют гидрофобные взаимодействия липида с неполярными зонами белка. Остальной (гидрофильной) частью молекулы аполипопротеин «маскирует» гидрофобную природу ассоциированного липида, создавая для него возможность существования в водной среде. Амфифиль- ность липопротеинов позволяет им соединяться в надмолекулярные образования, под гидрофильной поверхностью которых складировано значительное количество липидов. Благодаря этому, липопротеины обеспечивают транспорт липидов от мест их образования (печень) или поступления в организм (кишечник) к местам депонирования (жировые клетки) или утилизации. При электрофорезе большинство транспортных липопротеинов плазмы крови обнаруживается во фракциях а- и р-глобулинов.
Еще более значимую роль играют липопротеины в качестве исполнителей многих из важнейших функций биологических мембран, обязательным компонентом которых они являются (раздел 3.2.2).
Нуклеопротеины представляют собой нековалентные комплексы нуклеиновых кислот с гистонами (реже — с протаминами). В каждом таком комплексе множество белковых молекул, прочно соединяясь с длинной цепью нуклеиновой кислоты, вносит решающий вклад в пространственную организацию «своей» простети- ческой группы. Учитывая уникальность биологической роли нуклеиновых кислот, их строению и механизмам функционирования специально посвящена следующая глава.
Хромопротеины («цветные белки») своей окраской обязаны простетической группе. В зависимости от ее строения, различают гемопротеины и флавопротеины.
Гемопротеины содержат конструкцию из 4 пиррольных колец, лежащих в одной плоскости и объединенных метенильными мостиками в большое порфириновое кольцо (рис. 1-26), внешний контур которого представляет собой систему сопряженных двойных связей. Центральное место в нем занимает атом металла, соединенный со всеми четырьмя азотами пир- рольных колец. В молекулах гема (которому кровь обязана своим красным цветом-) таким атомом является железо. Хлорофиллы содержат магний и различаются боковыми радикалами порфиринового кольца; эти зеленые пигменты участвуют в поглощении света и использовании его энергии для проведения реакций фотосинтеза.
В гемопротеинах животного организма чаще всего встречается гем Ь (именно его формула показана на рис. 1-26). Он входит в состав упоминавшихся гемоглобина и миоглобина, обеспечивающих перенос кислорода кровью и
Рис. 1-26. Строение тема Ь.
Примечание: в молекуле формилпорфирина (гем а) вместо метильной и винильной групп в положениях 8 и 2 находятся соответственно формильный остаток -С{0)Н и изопреноидная цепь -СН(ОН)-[СНг-СН2-СН=С(СНз)]э-СНз
накопление его миоцитами (раздел 1.6). В этих молекулах железо всегда двухвалентно. Введение в кровь даже «мягких» окислителей чревато опасностью появления метгемоглобина, который отличается от гемоглобина только степенью окисления железа гема (Fe3+), но, тем не менее, непригоден для транспорта кислорода.
С другой стороны, в некоторых белках особенности строения апопротеина и его соединения с гемом обеспечивают поддержание окисленного состояния железа. От этого зависит активность таких ферментов, как каталаза и пероксидаза. Оба они разрушают пероксид водорода, обезвреживая тем самым этот опасный метаболит (см. раздел 5.5.2).
Наконец, гем b входит в состав и некоторых цитохромов - внутриклеточных ферментов, участвующих в переносе электронов от окисляемых веществ в конечном счете на кислород. Впрочем, другие цитохромы содержат гем а, немного отличающийся от гема Ъ строением боковых радикалов порфиринового кольца. Несмотря на эти различия, специфика всех цитохромов заключается в переменной валентности железа гема: принимая электрон, оно восстанавливается до Fe24, а отдавая его затем на очередной цитохром (или на молекулу кислорода), вновь переходит в окисленное состояние (Fe3+).
Все эти примеры показывают, что именно белковая часть молекулы гемопротеинов «диктует», как именно использовать возможности простетической группы: либо просто для транспорта и накопления молекул кислорода, либо для вовлечения в различные окислительно-восстановительные реакции, связанные с переносом электронов.
Растительные магнийпорфирины, несмотря на заметные отличия от гема, тоже участвуют в метаболических превращениях кислорода. В самых общих чертах это выглядит так: вместе со своими апопротеинами хлорофиллы обеспечивают захват фотонов и утилизацию их энергии для расщепления воды до 02 и атомов водорода; последние, в свою очередь, используются в сложных системах хлоропластов для восстановления молекул С02 до моносахаридов (например, глюкозы).
Здесь уместно отметить, что порфирины пищевых продуктов не могут всасываться в кишечнике. Поэтому в ходе биогенеза гемопротеинов в нашем организме необходимые для иих простетические группы должны синтезироваться из более простых веществ. При этом атом железа включается лишь на заключительной стадии, после завершения биосинтеза порфиринового кольца.
На молекулу гема очень похож витамин В]2 (кобаламин). Фактически это группа веществ, однотипность которых обусловлена наличием частично восстановленного порфиринового кольца с атомом кобальта в его центре (лиганды при этом атоме бывают разными). Такого рода структура содержится в небелковой части ряда ферментов (их называют коба- мидными). Несмотря на значительное сходство с гемопротеинами, ферменты этой группы участвуют не в процессах биологического окисления, а преимущественно в реакциях внутри- и межмолекулярного переноса метильных и некоторых других группировок. Всасывание витамина В12 в кишечнике обеспечивается особым гликопротенном желудочного сока, именуемым внутренним фактором.
Фпавопротеины содержат в составе простетической группы рибофлавин (витамин В2). На рис. 1-27 показана фосфорилированная форма этого витамина, который представляет собой полициклическое азотистое основание флавин с присоединенным к нему пятиатомным спиртом рибитолом
(продукт восстановления моносахарида рибозы в положении 1). Этот рибофлавин-
5-фосфат чаще обозначается как флавшшоно- нуклеотид (ФМН) и является простейшим вариантом простетических групп флавопрогеинов. Во всех таких группах роль реактивного центра выполняет азотистый гетероцикл изоаллоксази- на. Желтая окраска присуща ему в окисленном состоянии (рис. 1-27), но исчезает в результате присоединения двух атомов водорода к атомам азота, выделенным жирным шрифтом.
Именно из-за способности легко восстанавливаться (присоединяя два атома водорода) и снова окисляться (передавая их на подходящий акцептор) рибофлавин используется в качестве простетической группы многих ферментов, которые так и называют - фшвиповые ферменты. Нередко они содержат еще и молекулу гема (флавогемопротеины) либо ионы некоторых металлов (метаплофлавопротеины).
Металлопротеииы очень разнообразны и по содержащимся в них ионам металлов, и по способу их связывания с апопротеином, и по функциональному предназначению макромолекулы.
Некоторые из них являются транспортной формой соответствующего минерала. Наиболее известен трапсферрин. Этот гликопротеин вырабатывается клетками печени и секретируется в кровь, где составляет главную долю фракции Р-глобулинов плазмы. Он имеет два центра связывания, способных прочно удерживать по атому Бе3+ в сочетании с присоединением аниона (обычно НСОз") в расположенном по соседству участке. Трансферрин захватывает ионы железа, всасываемые в кишечнике или освобождаемые в местах деградации гема, и осуществляет их перенос к местам депонирования и утилизации. Аналогичный белок фракции аг-глобулинов — церулошазмин — обладает 8 участками связывания меди и обеспечивает транспорт этих ионов в организме.
Другая группа металлопротеинов предназначена для накопления («складирования») того или иного металлоиона в клетках. Наиболее ярким примером является ферритин. В его составе Ре3+ депонируется в селезенке, клетках костного мозга, слизистой оболочки кишечника. Но богаче всего этим белком печень, где с его участием может накапливаться до 700 мг железа (для сравнения: в гемоглобине крови взрослого человека содержится около 3 г железа, что составляет 60-70% от общего количества его в организме). По мере надобности оно используется для синтеза гема. Это осуществляет специальный фермент митохондрий (гемсинте- таза), который принимает Ре3+ от ферритина и включает его восстановленную форму (Ре2+) в молекулу готового порфиринового кольца.
Наконец, самую разнообразную группу металлопротеинов составляют ферментные белки. Во многих случаях они очень прочно связывают ион металла, который не может быть заменен аналогами и непосредственно участвует в акте катализа. Особенно это относится к атомам железа, меди, цинка, магния, кальция, кобальта, молибдена, марганца.
Неорганические компоненты сложных белков могут быть представлены не только ионами металлов, но и другими элементами. Так. йодтироглобулип (предшественник гормонов щитовидной железы) содержит атомы йода, ковалентно соединенные с радикалами тирозина. Другой пример: глутатиоппероксидаза имеет в своем составе остаток цистеина, в котором атом серы заменен на селен, причем, селеноцнстеин прямо участвует в реакции разложения Н2О2, катализируемой этим защитным ферментом. Есть и ряд других ферментов, являющихся селенопротеинами.
Представленные сведения о сложных белках указывают на несовершенство традиционной их классификации. Тем не менее, принципиальные ее основы используются до сих пор. Помимо «смешанных» названий вроде фосфо- гликопротеинов и других, упомянутых выше, появляются и совсем новые группы (например, сульфопротеины, в которых эфирные связи с апопротеином образуют остатки серной кислотны).
