Аминокислотный состав белков

Аминокислоты, участвующие в образовании белков, имеют общую формулу:

где R — боковая цепь (радикал)

Формулы радикалов 20 канонических аминокислот (18 аминокислот и двух амидов — аспарагина и глутамина) представлены в табл. 2.1, где приведены также их обычно используемые трехбуквенные и однобуквенные сокращенные обозначения (в дальнейшем будут использоваться более легко запоминающиеся трехбуквенные символы).

Таблица 2.1

Протеиногенные аминокислоты и амиды

Аминокислота	Структуры боковой цепи (радикал)	Сокращенное обозначение
Алифатические
Глицин		Gly, G
Аланин		Ala, А
Валин		Val, V
Лейцин		Leu, I

Аминокислота	Структуры боковой цепи (радикал)	Сокращенное обозначение
Изолейцин		lie, I
Ароматические
Фенилаланин		Phe, А
Тирозин		Туг, Y
Триптофан		Trp, W
Основные (несущие положительный заряд)
Лизин		Lys, К
Аргинин		Arg, R
Г истидин		His, Н
Дикарбоновые (несущие отрицательный заряд)
Аспарагиновая кислота		Asp, D
Глутаминовая кислота		Glu, E
Амиды дикарбоновых аминокислот
Аспарагин		Asn, N
Глутамин		Gin, Q

Аминокислота	Структуры боковой цепи (радикал)	Сокращенное обозначение
Серосодержащие
Цистеин		Cys, С
Метионин		Met,M
Содержащие гидроксильную группу (аминокислоты-спирты)
Серин		Ser, S
Треонин		Thr, T
Пролин		Pro, P

Все постоянно встречающиеся в белках (протеиногенные) аминокислоты содержат две разные химические группы: аминогруппу (-NH₂) и карбоксильную группу (-СООН), способные реагировать с образованием пептидной связи:

В водной среде равновесие такого типа реакций сдвинуто в сторону образования свободных аминокислот, и поэтому биосинтез полипептидов в клетках не сводится к простому отщеплению воды, а протекает по более сложному энергоемкому механизму с участием специфических внутриклеточных частиц и макроэргических соединений.

Единственной протеиногенной аминокислотой, не имеющей свободной аминогруппы, является пролин. Не имеет ее и содержащееся в некоторых белках производное пролина — оксипролин. Пролин и оксипролин иногда называют иминокислотами, жесткая конформация которых вызывает изгибы в полипептидных цепях белков.

Связанные в результате биосинтеза в длинные полипептидные цепи аминокислоты присутствуют в белках в виде аминокислотных остатков, молекулярная масса которых варьирует от 57 до 186 Да (среднее значение принято 110), и, таким образом, белок с молекулярной массой 44 000 Да содержит примерно 400 аминокислотных остатков. Кроме амино- и карбоксильных групп в аминокислотах содержатся также боковые цепи, не участвующие в образовании пептидных связей и называемые радикалами. Химическая природа радикалов весьма разнообразна, что позволяет им вступать в различные (в большинстве случаев нековалентные) взаимодействия по мере синтеза и формирования пространственной структуры белковой молекулы. Именно последовательность расположения радикалов определяет особенности пространственной (трехмерной) структуры белков и соответственно их функциональные свойства.

Аминокислоты, образующие белки, можно рассматривать как производные карбоновых кислот. Они являются а-аминокислотами, так как аминогруппы в них связаны с а-утлеродным атомом. Сходные с а-аминокислотами во многих отношениях и также встречающиеся в природе (3-аминокислоты, тем не менее, обычно не входят в состав природных полипептидов, очевидно, в силу того, что полипептид- ная цепь, содержащая (3-аминокислотные остатки, имела бы ковалентные связи типа С_а _ Ср, которые допускают дополнительную подвижность (вращение), затрудняющую самопроизвольное свертывание цепи в регулярные структуры, свойственные природным белкам (см. ниже). Вероятно, поэтому в ходе эволюции отбор был направлен на преимущественное сохранение а-аминокислот.

Для аминокислот характерна оптическая изомерия, однако в белках присутствуют, как правило, L-аминокислоты, и L-конфигурация, по всей видимости, была отобрана случайно. D-формы аминокислот обнаруживаются в составе пептидов достаточно редко. Они выявлены, например, в клеточных стенках бактерий сибирской язвы (D-Glu), а также в составе пептидов кожи одного из видов южноамериканских лягушек, в которых найден D-Ala.

Единственной белковой аминокислотой, не обладающей оптической активностью, является глицин, не имеющий хирального углеродного атома. У глицина в качестве радикала выступает атом водорода, и само понятие радикал в данном случае имеет условный характер. Отсутствие радикала приводит к тому, что Gly увеличивает подвижность полипептидной цепи в белках и одновременно (из-за малого размера) способствует ее плотной упаковке. Остальные аминокислоты содержат в качестве радикалов разнообразные по химическому строению и свойствам группировки, по которым их обычно и классифицируют.

К аминокислотам с алкильными радикалами относятся аланин, валин, лейцин и изолейцин (последний содержит 2 хиральных центра и соответственно имеет 4 оптических изомера). Аланин — самая распространенная в природе аминокислота, содержание которой в белках обычно максимально, вероятно, в силу простоты ее строения и доступности для синтеза клеточными ферментами. Разветвленные объемные и «жесткие» радикалы Val, Leu и Не, в свою очередь, существенны для гидрофобной стабилизации белковых тел.

В группу ароматических аминокислот входят фенилаланин, тирозин и триптофан. Крупные неполярные остатки Phe и Тгр наряду с Val, Не и Pro располагаются преимущественно внутри белковых молекул. Тирозин содержит функционально активную группу ОН, протон которой легко диссоциирует, что способствует образованию водородных связей. Поэтому тирозин, относящийся к полярным незаряженным аминокислотам (к ним относятся также серин, треонин, глутамин, аспарагин и цистеин), участвует в образовании многочисленных водородных связей между боковыми цепями аминокислотных остатков при формировании уникальных пространственных структур белков. По той же причине остатки Туг, Ser и Cys часто выступают в виде функционально активных групп при ферментативном катализе. Гидроксильные группы, свойственные серину и треонину, способны образовывать эфиры с фосфорной и рядом органических кислот. Поэтому, в частности, функционально важное фосфорилирование ряда белков осуществляется чаще всего по остаткам данных аминокислот. Серин, как и тирозин, присутствует в активных центрах ряда ферментов. По гидроксильным группам Ser и Тут происходит присоединение к белкам углеводных компонентов (гликозилирование), что имеет место при синтезе сложных белков — гликопротеинов.

Цистеин и метионин составляют группу серосодержащих аминокислот. Характерной особенностью остатков Cys является их способность к самопроизвольному окислению в присутствии кислорода с образованием «двойной» аминокислоты — цистина. В белках это ведет к возникновению поперечных ковалентных связей между полипептидными цепями либо внутри одной полипептидной цепи. Так возникают дисулъфидные мостики:

Содержание Cys особенно высоко в особой группе белков, способных связывать атомы тяжелых металлов — металлотионеинах (см. ниже).

Следует помнить, что аминокислоты в водной среде живых клеток представляют собой биполярные ионы (цвиттерионы):

Поэтому большинство аминокислот, будучи моноаминомонокар- боновыми кислотами, не обладают сколько-нибудь выраженным зарядом вблизи нейтральных значений pH. К заряженным аминокислотам относят те из них, которые содержат дополнительные заряженные группы в боковых цепях (радикалах). Так, к аминокислотам, обладающим кислотными свойствами, относятся аспарагиновая и глутаминовая, имеющие при нейтральном значении pH отрицательный заряд благодаря наличию в их радикалах карбоксильной группы. К заряженным положительно (основным) аминокислотам относятся лизин, аргинин и гистидин. Заряженные остатки Lys и Arg могут эффективно связывать фосфорные остатки, что лежит в основе взаимодействия положительно заряженных белков хроматина (гистонов) с молекулами ДНК (см. тему 9). Гистидин содержит гетероциклическую (имидазольную) группу, которая в физиологическом интервале значений pH может выполнять роль акцептора протона. Поэтому His присутствует в активных центрах многих ферментов, где выполняет роль «протонной помпы».

Пока невозможно однозначно объяснить, почему именно рассмотренные аминокислоты были отобраны в ходе эволюции для построения большинства белков. Простые по строению Gly, Ala, Glu, Ser, Asp считаются более древними в эволюции, в отличие от сложных аминокислот, таких как Asn, His. Кроме вышеохарактеризованных 20 канонических аминокислот в белках встречаются и другие аминокислоты, одна из которых, селеноцистеин, содержит атом селена:

Селеноцистеин обнаружен у самых разных организмов — от архибактерий до человека — в составе ряда каталитически активных белков (глицин-редуктазы, глутатион-пероксидазы, 5-деиодиназы и др.) и рассматривается в последние годы как 21-я белковая аминокислота.

Недавно открытые особенности синтеза, кодирования и включения селеноцистеина в полипептидные цепи белков будут рассмотрены в теме 11.