Все молекулы живых организмов представляют собой, в основном, либо белки, либо продукты деятельности белков. За исключением рибозимов, образующих небольшой класс РНК-молекул, о которых мы поговорим в следующей лекции, все ферменты (биохимические катализаторы метаболических реакций) являются белками. Некоторые гормоны (молекулы, осуществляющие регуляторные функции через взаимодействие с белковыми рецепторами) являются белками, в то время как другие (небольшие пептиды) – лишь белковые составляющие. Два больших класса гормонов представлены стероидами и аминами.
Белки могут выполнять также и транспортные функции (например, гемоглобин – переносчик кислорода в красных клетках крови). Они составляют основу мышечной и соединительной ткани, поддерживающей структуру тела животных, а также кожи и волос. Белки являются компонентами удивительно продуманных механизмов распознавания и сигнальных путей, как, например, в иммунной системе, а также в разнообразных клеточных ответах на внешние раздражители или стимулы. Последние могут быть как химической, так и физической природы, как в случае с фотонами в зрительном процессе или в фотосинтезе. Из белков состоят мембранные насосы и каналы, устанавливающие электрохимические градиенты, необходимые для биоэнергетики клетки. Они играют важную роль в передаче нервных импульсов.
Белок определяется как объект, обладающий биологической активностью, тогда как понятие полипептид указывает на его химический состав. С белком может быть связана простетическая (не аминокислотная) группа, необходимая для его активности. В качестве примера можно привести кислород-связывающие гемовые группы гемоглобина, миоглобина и некоторых белков дыхательной цепи. Так ретиналь, который обеспечивает световую чувствительность родопсина – белка, имеющего отношение к зрению, и хлорофилл в белках растений, связан с фотосинтезом. Поскольку природные аминокислоты бесцветны (они поглощают в основном в ультрафиолете), цвет белка всегда обусловлен простетической группой: красный – гемом, пурпурный – ретиналем, зеленый – хлорофиллом. Наличие таких светопоглощающих групп позволяет исследовать связанные с ними белки спектроскопическими методами в видимой области.
В процессе эволюции белки приобрели способность приобретать стабильную и активную конформацию в весьма ограниченных условиях, касающихся состояния растворителя, а также в узком диапазоне таких термодинамических параметров, как температура и давление (Лекция 13). Интересно отметить, однако, что существуют организмы, называемые экстремофилами (любители крайностей), которые адаптировались к различным экстремальным условиям окружающей среды. Так организмы, живущие при высоких и низких значениях pH называются алкалофилами и ацидофилами, соответственно. При высоких концентрациях солей – галофилами, при высоких давлениях в глубоких океанских впадинах – барофилами. При температурах близких к 0 ºC – психрофилами, а при высоких температурах – термофилами. Максимальную температуру существования (113 °C) из известных сегодня живых организмов имеет Methanococcus jannaschi, которая обитает в глубоководных морских гидротермальных источниках. Такие организмы называются гипертермофилами.
В физиологических условиях белковая цепь принимает определенную третичную структуру (см. ниже), которая разворачивается в денатурирующих условиях (при повышенной температуре или, например, в растворах, содержащих мочевину или гуанидингидрохлорид). Денатурированный белок принимает конформацию, похожую (но не тождественную) на гомополимер (гауссов клубок). Однако неорганизованные белковые структуры не обязательно должны быть биологически неактивны. Доступные в настоящее время полные геномные последовательности указывают на то, что большая часть генов кодирует длинные аминокислотные последовательности, и они остаются несвернутыми в физиологических условиях. Это утверждение особенно справедливо для эукариотических организмов. Такие белки получили название белков с природной или внутренней неупорядоченностью. Доля неупорядоченных областей в таких белках может быть разной, начиная от последовательности из нескольких аминокислот и заканчивая полностью неупорядоченной последовательностью длиной в десятки, а иногда и в сотни аминокислот. Главное отличие этих белков от структурированных (глобулярных) белков состоит в том, что они не имеют уникальной третичной структуры в изолированном виде, а приобретают её после взаимодействии с партнерами. Их конформация в комплексе определяется партнером по взаимодействию, а не только собственной аминокислотной последовательностью, как это характерно для структурированных (глобулярных) белков. Конформацию таких белков и методы их исследования мы обсудим в Лекциях 30 и 47.
Структуры белков принято подразделять на уровни организации. Первый уровень, называемый первичной структурой, представляет собой специфическую последовательность аминокислот в белке. Вторичная структура –это сворачивание полипептидной цепи в элементы вторичной структуры, в основном, за счет водородных связей. Следующий уровень структурной организации – третичная структура, в образование которой решающий вклад вносят гидрофобные взаимодействия. И, наконец, четвертичная структура является результатом объединения нескольких отдельных полипептидных цепей в сложную структуру с помощью нековалентных взаимодействий. Каждая из этих цепей при таком объединении подстраивается друг к другу.