Белки: аминокислоты и уровни структуры

Урок про главных «работников» клетки — белки: из чего они собраны и как сворачиваются в рабочую форму.

Белок — это полимер из аминокислот, соединённых пептидными связями и свёрнутый в строго определённую трёхмерную форму, от которой зависит его функция.

Зачем нужны белки

Почти всё, что «делается» в клетке, делают белки. Ферменты ускоряют реакции, гемоглобин переносит кислород, актин и миозин двигают мышцы, антитела ловят вирусы, рецепторы принимают сигналы. ДНК — это лишь инструкция; белки — исполнители. Понять белки значит понять, как ген превращается в признак.

Двадцать букв белкового алфавита

Все белки на Земле собираются из 20 стандартных аминокислот. У каждой есть общий «скелет» и свой радикал (R-группа), задающий свойства: гидрофобный, заряженный, полярный. Аминокислоты соединяются в цепь пептидными связями, образуя полипептид.

Сколько разных белков длиной всего 10 аминокислот можно построить? Каждая позиция — один из 20 вариантов:

$$ N = 20^{L} $$

где $L$ — длина цепи. Посчитаем для $L = 10$.

L = 10
N = 20 ** L
print("Длина цепи:", L)
print("Число вариантов:", N)
print("Это примерно:", f"{N:.1e}")

Вывод:

Длина цепи: 10
Число вариантов: 10240000000000
Это примерно: 1.0e+13

Десять триллионов вариантов на цепочке всего из десяти звеньев — вот откуда колоссальное разнообразие белков.

Четыре уровня структуры

Белок не работает «как нитка» — он сворачивается. Различают уровни структуры:

Первичная — последовательность аминокислот (определяется геном).
Вторичная — локальные узоры: $\alpha$-спираль и $\beta$-слой, держатся на водородных связях.
Третичная — общая трёхмерная форма всей цепи.
Четвертичная — объединение нескольких цепей (гемоглобин — 4 субъединицы).

Подсчёт состава белка

Посчитаем, сколько гидрофобных и заряженных аминокислот в коротком пептиде.

from collections import Counter
peptide = "MAKVLGFFIDEKR"
hydrophobic = set("AVLIFMW")
charged = set("DEKR")
c = Counter(peptide)
h = sum(n for a, n in c.items() if a in hydrophobic)
q = sum(n for a, n in c.items() if a in charged)
print("Длина пептида:", len(peptide))
print("Гидрофобных:", h)
print("Заряженных:", q)

Вывод:

Длина пептида: 13
Гидрофобных: 7
Заряженных: 5

Как работает под капотом

Свёртывание белка определяется его первичной структурой: цепь сама находит форму с наименьшей энергией. Гидрофобные радикалы прячутся внутрь, подальше от воды, заряженные торчат наружу. Именно поэтому ошибка даже в одной аминокислоте может сломать укладку — на этом основаны многие генетические болезни (например, серповидноклеточная анемия — это замена одной аминокислоты в гемоглобине).

Частые ошибки

Считают, что белок — это просто «строительный материал». На деле это в основном машины-исполнители.
Путают аминокислоты с нуклеотидами: первые — мономеры белков, вторые — мономеры ДНК/РНК.
Думают, что форму белка задаёт что-то извне. Форму задаёт сама последовательность.

Итог

Белки собираются из 20 аминокислот; число вариантов цепи равно $20^{L}$.
Четыре уровня структуры: первичная, вторичная, третичная, четвертичная.
Свёртывание определяется последовательностью; ошибка в одной аминокислоте может сломать функцию.
Белки — главные исполнители в клетке.