Перманентна завивка як приклад біохімічної інженерії

Якщо на волосся подіяти гарячою парою, то воно стає довшим. З молекулярної точки зору це означає, що α-спіралі в α-кератині волосся можуть розтягуватися доти, доки не набудуть повністю витягнутої β-конформації. При охолодженні вони самочинно повертаються до α-спіральної конформації. Така здатність α-кератинів до “розтягування” і наявність численних поперечних дисульфідних зв'язків лежать в основі перманентної завивки. Спочатку для надання волоссю потрібної форми його відповідним чином закручують. Потім при нагріванні обробляють розчином відновника, який зазвичай містить сполуку з тіоловою чи сульфгідрильною групою (‑SH). Відновник розщеплює поперечні містки шляхом відновлення кожного дисульфідного зв'язку до двох залишків Cys. Гаряча волога розриває водневі зв'язки і призводить до розкручування α-спіральної структури поліпептидних ланцюгів. Через деякий час розчин відновника замінюють розчином окисника, який утворює нові дисульфідні зв'язки між парами залишків цистеїну сусідніх поліпептидних ланцюгів, але це не ті пари, що були зв’язані до обробок. Після промивання і охолодження волосся поліпептидні ланцюги повертаються до α-спіральної конформації. Волосся тепер виявляється закрученим у заданому напрямку, оскільки нові поперечні дисульфідні зв'язки утримують скручені чи зігнуті пучки α-спіральних витків у фібрилах волосин. Однак перманентна завивка насправді тимчасова, бо з ростом волосся старі волосини замінюються новими, в яких α-кератин має натуральне, а не спричинене закручуванням розташування дисульфідних зв'язків.

відновлення             закручування окиснення

______________________________________________________________________

Колаґен Еволюція колаґену, як і α-кератинів, була спрямована на підвищення міцності. Колаґен входить до складу сполучних тканин сухожиль, хрящів, орґанічного матриксу кісток і рогової оболонки ока. Спіраль колагену - це унікальна вторинна структура, досить відмінна від α-спіралі. Вона лівозакручена, а один поворот містить три амінокислотних залишки (Рис. 4-12). Молекула колаґену також закручена у спіраль, але зі специфічною третинною та четвертинною структурами: три окремі поліпептиди, що звуться α-ланцюгами (щоб відрізнити від α-спіралі), закручені один навколо іншого (Рис. 4-12в). У колаґені таке закручування (надспіралізація) відбувається вправо, протилежно до лівозакрученї спіралі α-ланцюгів.

У хребетних тварин виявлено багато типів колагену. Загалом він містить 35% Gly, 11% Ala, 21% Pro і 4-Hyp (гідроксипролін, рідкісна амінокислота, див. Рис. 3-8). Харчовий продукт желатин, утворений з колаґену, у якості джерела протеїну має незначну поживну цінність, оскільки колаген надзвичайно бідний на вміст важливих для харчування людини амінокислот. Незвичний амінокислотний склад колаґену накладає унікальні обмеження на будову його спіралі. Звичайно амінокислотна послідовність колаґену містить повторювані трипептидні фраґменти Gly-X-Y, де Х- часто L-пролін, а Y – часто 4-Нур. Лише залишки Gly можуть розміститися в дуже щільному місці з'єднання окремих α-ланцюгів (Рис. 4-12г); наявність залишків Про і 4-Нур спричиняє різкі перегини колаґенової спіралі. Послідовність амінокислот і надскручена четвертинна структура колаґену уможливлюють щільну упаковку трьох його поліпептидів. Особливу роль в структурі колаґену, і, таким чином, в історії людства, виконує 4-гідроксипролін (Додаток 4-3).

Завдяки щільному скручуванню α-ланцюгів у потрійну спіраль межа міцності на розрив у колаґену вища, ніж у стального дроту однакового діаметру. Колаґенові волокна (Рис. 4-13) - це надмолекулярні ансамблі, що складаються з молекул потрійних спіралей колаґену (іноді їх називають молекулами тропоколаґену), об'єднаних різноманітними способами для забезпечення різного ступеня міцності на розрив. α-Ланцюги колаґенових молекул і колаґенові молекули фібрил поперечно з'єднуються за допомогою ковалентних зв'язків особливих типів, що включають залишки Lys, HyLys (гідроксилізин, див рис 3-8), чи похідні His, розташовані іноді в позиціях X та Y колаґену. Ці зв'язки утворюють залишки нестандартних амінокислот, таких як дегідрогідроксилізинонорлейцин. Накопичення у колагенових фібрилах таких ковалентних поперечних зв'язків є причиною зростання жорсткості та крихкості сполучної тканини людини з віком.

Поліпептидний ланцюг    Залишок Lys без ε-аміногрупи (норлейцин) Залишок HyLys   Поліпептидний ланцюг

Дегідрогідроксилізинонорлейцин

У тканинах ссавців виявлено понад 30 різних структурних варіантів колаґену, і кожний з них дещо відрізняється від інших за амінокислотною послідовністю та функцією. Певні спадкові дефекти структури колаґену людини свідчать про тісний взаємозв'язок між послідовністю амінокислот і тривимірною структурою цього протеїну. Такі захворювання, як незавершений остеогенез і синдром Елерса-Данлоса, що характеризуються, відповідно, неправильним формуванням кісток у немовлят і слабкими суглобами, виникають внаслідок заміщення амінокислотним залишком з великою R-групою (Cys або Ser) лише одного залишку Gly в кожному α-ланцюзі колагену (розташування залишку у цих випадках також різні). Такі заміщення всього одного залишка катастрофічно впливають на властивості колаґену, оскільки порушують порядок повтору Gly -X-Y, який забезпечує його унікальну спіральну структуру. З цієї причини обидва захворювання можуть бути смертельними. Внаслідок особливої ролі залишку Gly в утворенні потрійної спіралі (Рис. 4-12г), його не можна замінити жодним іншим амінокислотним залишком без значного пошкодження структури колагену.

Фіброїн шовку. Протеїн шовку фіброїн виробляється комахами та павуками. Його поліпептидні ланцюги перебувають переважно в β-конформації. Фіброїн багатий на залишки Ala та Gly, що сприяє щільній упаковці β-складок і з’єднанню R-груп (Рис. 4-14). Вся структура стабілізується численними водневими зв'язками, що виникають між усіма пептидними зв'язками у поліпептидах кожної β-складки, і оптимізацією ван дер Ваальсових взаємодій між складками. Шовк не розтягується, оскільки поліпептидні ланцюги вже знаходяться у дуже витягнутій β-конформації (Рис 4-7; див. також Рис. 4-15). Однак структура його виявляється гнучкою, тому що складки з'єднуються між собою переважно численними слабкими взаємодіями, а не ковалентними зв’язками, такими як дисульфідні зв'язки в α-кератинах.

______________________________________________________________________

Додаток 4-3             Біохімія в медицині