Белки и нуклеиновые кислоты

Министерство образования Республики Беларусь УО МОГИЛЕВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРОДОВОЛЬСТВИЯ

КАФЕДРА ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

БИОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ для студентов специальностей 49 01 01, 49 01 02, 91 01 01

БЕЛКИ И НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ

Могилев, 2004

УКД ББК Рассмотрен и рекомендован к изданию кафедрой химической технологии высокомолекулярных соединений

Протокол № __ от «__"_____________2004 г.

Рассмотрен и рекомендован к изданию секцией выпускающих кафедр.

Протокол № __ от «__"_____________2004 г.

Составители: доцент Макасеева О.Н.

Рецензент: доцент Шуляк Т.Л.

Могилевский государственный университет продовольствия

• 1. БЕЛКИ
• 1.1 Строение и общие свойства аминокислот.
• 1.2 Классификация аминокислот.
• 1.3 Кислотно-основные свойства аминокислот.
• 1.4 Спектры поглощения аминокислот.
• 1.5 Химические реакции аминокислот.
• 1.6 Пептиды.
• 1.7 Белки.
• 1.8 Строение белковой молекулы.
• 1.9 Физико-химические свойства белков.
• 1.10 Выделение белков и установление их однородности.
• 1.11 Классификация белков.
• 2. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ.
• 2.1 Состав нуклеиновых кислот.
• 2.2 Нуклеозиды.
• 2.3 Нуклеотиды
• 2.4 Первичная структура нуклеиновых кислот.
• 2.5 Вторичная и третичная структуры ДНК.
• 2.6 Структура РНК
• Рекомендуемая литература
• 1. БЕЛКИ

1.1 Строение и общие свойства аминокислот

Основной структурной единицей белков являютсяаминокислоты. В природе встречается примерно 300 аминокислот. В составе белков найдено 20 различныхаминокислот (одна из них — пролин, является не амино-, а иминокислотой). Все другие аминокислоты существуют в свободном состоянии или в составе коротких пептидов, или комплексов с другими органическими веществами.

— Аминокислоты представляют собой производные карбоновых кислот, у которых один водородный атом, ууглеродного атома замещен на аминогруппу (-NН₂), например:

Различаются аминокислоты по строению и свойствам радикала R. Радикал может представлять остатки жирных кислот, ароматические кольца, гетероциклы. Благодаря этому каждая аминокислота наделена специфическими свойствами, определяющими химические, физические свойства и физиологические функции белков в организме.

Именно благодаря радикалам аминокислот, белки обладают рядом уникальных функций, не свойственных другим биополимером, и обладают химической индивидуальностью.

Значительно реже в живых организмах встречаются аминокислоты с — илиположением аминогруппы, например:

В молекулах всех природных аминокислот (за исключением глицина) ууглеродного атома все четыре валентные связи заняты различными заместителями, такой атом углерода является асимметрическим, и получил название хирального атома. Вследствие этого растворы аминокислот обладают оптической активностью — вращают плоскость плоскополяризованного света. Причем, при прохождении через них поляризованного луча происходит поворот плоскости поляризации либо в право (+), либо влево (-). По расположению атомов и атомных группировок в пространстве относительно асимметрического атома различают Lи D-стереоизомеры аминокислот. Знак и величина оптического вращения зависят от природы боковой цепи аминокислот (R-группы).

Число возможных стереоизомеров ровно 2ⁿ, где n — число асимметрических атомов углерода. У глицина n = 0, у треонина n = 2. Все остальные 17 белковых аминокислот содержат по одному асимметрическому атому углерода, они могут существовать в виде двух оптических изомеров.

В качестве стандарта при определении L и D-конфигураций аминокислот используется конфигурация стереоизомеров глицеринового альдегида.

Расположение в проекционной формуле Фишера NH₂-группы слева соответствуют L-конфигурации, а справа — D-конфигурации.

Следует отметить, что буквы L и D означают принадлежность того или иного вещества по своей стереохимической конфигурации к L или D ряду, независимо от направленности вращения.

В составе белков обнаруживаются только L-изомеры аминокислот. D-формы аминокислот в природе встречаются редко и обнаружены лишь в составе белков клеточной стенки (гликопротеинов) некоторых бактерий и в пептидных антибиотиках (грамицидин, актиномицин и т. д.). L-формы хорошо усваиваются растениями и животными и легко включаются в обменные процессы. D-формы не ассимилируются этими организмами, а иногда даже ингибируют процессы обмена. Это объясняется тем, что ферментативные системы организмов специфически приспособлены к L формам аминокислот.

L и D формы аминокислот оказывают различное физиологическое воздействие на организм человека — различаются по вкусу: D-изомеры сладкие, L-формы горькие или безвкусные.

Взаимопревращение D и L-энатиомеров называется рацемизацией. Превращение D L — это один из метаболических процессов в живых организмах, причем равновесие этого метаболического процесса сильно смещено в сторону образования L-формы. Когда метаболические процессы после смерти организма прекращаются, процесс D L продолжается самопроизвольно с очень малой скоростью, переводя для каждой аминокислоты к соотношению D/L-энантиомеров, характерному для неметаболического равновесия. Для достижения такого равновесия могут потребоваться десятки тысяч лет. Новый метод определения геологического возраста образца основан на измерении соотношения D/L-энантиомеров аспарагиновой кислоты в образцах окаменелых костей. Результаты, полученные методом D /L-датирования, хорошо дополняют другие данные, полученные, например, радиоуглеродным методом.

Кроме 20 стандартных аминокислот встречающихся почти во всех белках, существуют еще нестандартные аминокислоты, являющиеся компонентами лишь некоторых типов белков — эти аминокислоты называют еще модифицированными. Около 150 из них уже выделены. Эти аминокислоты образуются после завершения синтеза белка в рибосоме клеток путем посттрансляционной химической модификации.

Один из примеров особенно важной модификации — окисление двух-SН-групп цистеиновых остатков с образованием аминокислоты цистина, содержащей дисульфидную связь. Так же легко происходит и обратный переход.

Таким путем образуется одна из важнейших окислительно-востановительных систем живых организмов. В больших количествах цистин содержится в белках злаковых — клейковине, в белках волос, рогов.

Другие примеры аминокислотной модификации-гидроксипролин и гидроксилизин, которые входят в состав коллагена-основного белка соединительной ткани животных.

В состав белка протромбина (белок свертывания крови) входиткарбоксиглутаминовая кислота, а в ферменте глутатионпероксидазе открыт селеноцистеин, в котором (S) сера заменена на (Se) селен.

1.2 Классификация аминокислот

Существует несколько видов классификаций аминокислот входящих в состав белка.

В основу одной из классификаций положено химическое строение радикалов аминокислот. Различают аминокислоты:

1. Алифатические — глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин:

2. Гидроксилсодержащие — серин, треонин:

3. Серосодержащие — цистеин, метионин:

4. Ароматические — фенилаланин, тирозин, триптофан:

5. С анионобразующими группами в боковых цепях-аспарагиновая и глутаминовая кислоты:

6. и амиды-аспарагиновой и глутаминовой кислот — аспарагин, глутамин.

7. Основные — аргинин, гистидин, лизин.

Второй вид классификации основан на полярности R-групп аминокислот. Различают полярные и неполярные аминокислоты. У неполярных в радикале есть неполярные связи С-С, С-Н, таких аминокислот восемь: аланин, валин, лейцин, изолейцин, метионин, фенилаланин, триптофан, пролин.

Все остальные аминокислоты относятся к полярным (в R-группе есть полярные связи С-О, С-N, -ОН, S-H). Чем больше в белке аминокислот с полярными группами, тем выше его реакционная способность. От реакционной способности во многом зависят функции белка. Особенно большим числом полярных групп, характеризуются ферменты. И наоборот, их очень мало в таком белке как кератин (волосы, ногти).

Аминокислоты классифицируют и на основе ионных свойств R-групп (таблица 1). Кислые (при рН=7 R-группа может нести отрицательный заряд) это аспарагиновая, глутаминовая кислоты, цистеин и тирозин. Основные (при рН =7 R-группа может нести положительный заряд) — это аргинин, лизин, гистидин. Все остальные аминокислоты относятся к нейтральным (группа R незаряжена).

Таблица 1 — Классификация аминокислот на основе полярности R-групп.

По числу аминных и карбоксильных групп аминокислоты делятся на моноаминамонокарбоновые, содержащие по одной карбоксильной и аминной группе; моноаминодикарбоновые (две карбоксильные и одна аминная группа); диаминомонокарбоновые (две аминные и одна карбоксильная группа).

По способности синтезироваться в организме человека и животных все аминокислоты делятся на заменимые, незаменимые и частично незаменимые.

Незаменимые аминокислоты не могут синтезироваться в организме человека и животных они обязательно должны поступать вместе с пщей. Абсолютно незаменимых аминокислот восемь: валин, лейцин, изолейцин, треонин, триптофан, метионин, лизин, фенилаланин.

Частично незаменимые-синтезируются в организме, но в недостаточном количестве, поэтому частично должны поступать с пищей. Такими аминокислотами являются арганин, гистидин, тирозин.

Заменимые аминокислоты синтезируются в организме человека в достаточном количестве из других соединений. Растения могут синтезировать все аминокислоты.

1.3 Кислотно-основные свойства аминокислот

Кислотно-основные свойства аминокислот связаны с наличием в их структуре двух ионизируемых групп-карбоксильной и аминогруппы, поэтому амнокислоты могут проявлять свойства как кислот, так и оснований, т. е. они являются амфотерными соединениями. В кристаллическом состоянии и в водных растворахаминокислоты существуют в виде биполярных ионов, называемых также цвиттерионами. Ионное строение обуславливает некоторые особенности свойстваминокислот: высокую температуру плавления (200−300С), нелетучесть, растворимость в воде и нерастворимость в неполярных органических растворителях. С растворимостью аминокислот в воде связана их всасываемость и транспорт в организме. Ионизация молекул аминокислот зависит от рН раствора. Для моноаминомонокарбоновых кислот процесс диссоциации имеет следующий вид:

В сильно кислых растворах аминокислоты присутствуют в виде положительных ионов, а в щелочных — в виде отрицательных.

Кислотно-основные свойства аминокислот можно объяснить исходя из теории кислот и оснований Бренстеда-Лоури. Полностью протонированнаяаминокислота (катионная форма) с позиции теории Бренстеда является двухосновной кислотой, содержащей две кислотные группы: недиссоциированную карбоксильную группу (- СООН) и протонированную аминогруппу (NН₃), которые характеризуются соответствующими значениями рК₁ и рК₂.

Величины рК для аминокислот определяют по кривым титрования. Рассмотрим кривую титрования аланина (рис. 1).

Рис. 1 — кривые, полученные при титровании 0,1 М раствора аланина 0,1 М раствором HCl (а) и 0,1 М растором NaOH (б).

Из кривой титрования аланина следует, что карбоксильная группа имеет рК₁=2,34, а протонированная аминогруппа рК₂ = 9,69. При рН = 6,02 аланин существует в виде биполярного иона, когда суммарный электрический заряд частицы равен 0. При этом значении рН молекула аланина электронейтральна. Такое значение рН называют изоэлектрической точкой и обозначают рН_иэт или рI. Для моноаминомонокарбоновых кислот изоэлектрическая точка рассчитывается как среднее арифметическое двух значений рК. Например для аланина она равна:

рI = Ѕ (рК₁ + рК₂) = Ѕ (2,34 + 9,69) = 6,02

При значении рН, превышающем изоэлектрическую точку, аминокислота заряжается отрицательно, а при значении рН ниже рI аминокислота несет суммарный положительный заряд. Например, при рН = 1,0 все молекулы аланина существуют в форме ионов с суммарным зарядом +1. При рН = 2,34, когда имеется смесь равных количеств ионов

суммарный заряд = +0,5. Аналогичным образом можно предсказать знак и величину суммарного заряда для любой другой аминокислоты при любом значении рН.

Аминокислоты с ионизируемой группой в радикале имеют более сложные кривые титрования, складывающиеся из 3-ох участков, соответствующих трем возможным стадиям ионизации, и, следовательно, они имеют три значения рК (рК₁, рК₂ и рК_R). Ионизация кислых аминокислот, например аспарагиновой, состоит из следующих последовательных стадий:

Изоэлектрические точки таких аминокислот определяются также присутствием ионизируемой группой радикала, наряду самино икарбоксильными группами. Для моноаминодикарбоновых кислот изоэлектрические точки смещены в кислую область рН и определяются как среднее арифметическое между величинами рК для двух карбоксильных групп (рI аспарагиновой кислоты = 2,97). Для основных аминокислот рI смещены в щелочную область и вычисляются как среднее арифметическое между величинами рК для двух протонированных аминогрупп (рI лизина = 9,74).

Кислотно-основные свойства аминокислот используются для разделения и последующей идентификации аминокислот методами электрофореза и ионообменной хроматографии. Оба эти метода основаны на различиях в знаке и величине суммарного электрического заряда при данном значении рН.

1.4 Спектры поглощения аминокислот

Аминокислоты входящие в состав белка, поглощают свет только в дальней ультрафиолетовой области. Ароматические аминокислоты тирозин, фенилаланин и особенно триптофан поглощают при 260−280 мм. Цистеин обладает слабым поглощением при 240 нм вследствие наличия в нем дисульфидной группы.

1.5 Химические реакции аминокислот

Аминокислоты могут участвовать во многих реакциях с участиемамино, -карбокси и различных функциональных R-групп. Эти реакции подробно рассмотрены в методическом указании «Химия и биохимия аминокислот и полипептидов». Отметим лишь некоторые реакции, имеющие особо важное значение.

Реакция с нингидрином (рН5) лежит в основе обнаружения и количественного определения аминокислот и белков.

Интенсивность образующейся окраски, оценивают, измеряя поглощение света при длине волны 540 нм (для пролина — 440 нм).

Для идентификации аминокислот служит также получение: 1) фенилтиогитантионовых (ФТТ) производных аминокислот, поглощающих в УФ области; 2) дансильных флуоресцирующих производных (ДНФ) и т. д.

Для пищевиков представляет интерес реакция аминокислот с соединениями, содержащими карбонильную группу С=О, с различными альдегидами и восстанавливающими сахарами (глюкозой, рибозой и отчасти фруктозой). В результате этой реакции происходит разложение как исходной аминокислоты, так и реагирующего с ней восстанавливающего сахара.

Альдегиды, образовавшиеся из аминокислот, обладают определенным запахом, от которого в значительной степени зависит аромат многих пищевых продуктов.

Лейцин дает запах ржаного хлеба, глицин — карамели, фурфурол — запах зеленого яблока, гидроксиметилфурфурол — запах меда.

Далее фурфурол и гидроксиметилфурфурол реагируют с новой молекулой аминокислоты в результате образуются темноокрашенные соединения — меланоидины. Образование их объясняет наблюдаемое потемнение многих пищевых продуктов во время их изготовления. Особенно интенсивно реакция между аминокислотами и восстанавливающими сахарами происходит при повышенной температуре, имеющей место во время сушки пищевых продуктов, овощей, фруктов, молока, солода. Образование золотисто-коричневой корочки, специфического аромата и вкуса хлеба зависят в основном от меланоидиновых реакций, происходящих при выпечке.

1.6 Пептиды

Аминокислоты соединяются друг с другом ковалентной пептидной связью. Образование ее происходит за счетаминогруппы (-NH₂) одной аминокислоты икарбоксильной (-СООН) группы другой с выделением молекулы воды.

В результате реакции поликонденсации можно получить соединения, составленные из многих аминокислотных остатков — полипептиды. При написании формулы линейных пептидов с известной последовательностью аминокислотных остатков начинают с N-конца (на конце пептида находится свободнаяаминогруппа), используя сокращенные обозначения аминокислот. Названия пептидов складываются из названий соответствующих аминокислот с суффиксомил, начиная с N-концевого остатка, — название С-концевой аминокислоты (содержит свободнуюкарбоксильную группу) сохраняется. Например, аргинил-аланил-глицин-глутамил-лизин.

Каждый пептид содержит только одну свободнуюаминоикарбоксильную группу, которые находятся на концевых остатках аминокислот. Эти группы и R-группы некоторых аминокислот могут быть ионизированы, поэтому пептиды могут нести заряды, и могут быть электронейтральными (т.е. иметь изоэлектрическую точку (ИЭТ). Это свойство пептидов используется для их разделения методами ионной хроматографии и электрофореза. Как и другие соединения, пептиды могут вступать в химические реакции, определяемые наличием у них группNH₂, -COOH, и R групп-аминокислот. Одной из важных реакций для пептидов является реакция гидролиза. Реакция гидролиза всех пептидных связей путем кипячения растворов пептидов в присутствии сильной кислоты или щелочи используется при определении их аминокислотного состава и состава белков.

Гидролиз пептидных связей может быть осуществлен также действием некоторых ферментов, которые расщепляют пептидные связи избирательно, с образованием коротких пептидов. Например трипсин гидролизует связи образованные карбоксильными группами лизина, аргинина; химотрипсин-карбоксильными группами фенилаланина, тирозина, триптофана. Такой избирательный анализ оказывается очень полезным при установлении аминокислотной последовательности белков и пептидов.

Кроме пептидов, образующихся в результате частичного гидролиза молекул белка, существует много пептидов, встречающихся в живых организмах как свободные соединения.

Многие природные пептиды отличаются по своей структуре от белков; такие пептиды имеются во всех типах организмов. В структурном отношении пептиды небелковой природы весьма разнообразны: отличаются по размерам, наличию циклических структур, разветвленности, наличию Dиаминокислот и, в некоторых отдельных случаях, по уникальному строению пептидной связи. Исходя из принципа взаимосвязи структуры и функций, биологические функции таких пептидов также очень многоплановы. Приведем несколько интересных примеров.

Карнозин и Ансерин. Эти дипептиды найдены в мышечных тканях позвоночных, в том числе и в мышцах человека. Оба они содержаталанин — структурный изомераланина.

Эти дипептиды служат для поддержания постоянного рН в клетках мышц, т. е действуют как буферы, также они участвуют в сокращении мышц, в процессах окислительного фосфорилирования т. е в образовании АТФ.

Глутатион (-глутамилцистеинилглицин) — трипептид, присутствует во всех животных, растениях и микроорганизмах.

Отличительная структурная особенность глутатиона, состоит в том, что глутаминовая кислота в составе этого пептида представляет для образования пептидной связикарбоксильную (а некарбоксильную группу). Существуют две формы глутатиона восстановленная (SH-глутатион) и окисленная (S-S-глутатион). Взаимопревращения одной формы в другую катализируется ферментом глутатионредуктазой.

В настоящее время известны лишь некоторые из физиологических функций глутатиона:

1) участие в транспорте аминокислот через клеточные мембраны;

2) поддержание восстановленного состояния железа (Fe⁺²) в гемоглабине;

3) входит в состав фермента глутатионпероксидазы, который защищает клетки от разрушающего действия Н₂О₂.

4) участвует в детоксикации ряда чужеродных для живой клетки соединений (галогенсодержащие алифатические или ароматические углеводороды) переводит их в водорастворимые соединения, которые выводятся из организма почками.

5) восстановленный глутатион защищает SH-группы белка от окисления, сам при этом превращается в окисленный.

Глутатион влияет и на технологические свойства зерна и муки. Восстановленный глутатион вызывает восстановление и разрыв дисульфидных связей в молекуле белков клейковины, т. е разрушает ее. Тесто из такой муки обладает плохими структурно-механическими свойствами), оно ослабляется, расплывается из него нельзя получить хлеб нормального качества.) Много глутатиона в старых дрожжах и зародышах зерновых, что следует учитывать в хлебопечении. Восстановленный глутатион способен активировать протеиназы (ферменты ращепляющие белки) зерна и муки, при этом начинается усиленно протекать протеолиз белков клейковины и вызванное им разжижение теста. Глутатион способствует накоплению в пиве азотистых соединений сравнительно большой молекулярной массы, что вызывает образование мути в пиве и ухудшает его потребительские свойства.

С 1981 г. разрешено использовать в качестве низкокалорийной добавки для придания продуктам сладкого вкуса аспартам (торговое название). Аспартам в 200 раз слаще сахара и представляет собой метиловый эфир дипептида, состоящего из остатков аспарагиновой кислоты и фенилаланина.

У млекопитающих (в том числе у человека) вырабатываются пептиды обладающие гормональным регуляторным действием, причем диапазон приложения их действия и эффективность в организме очень разнообразны. Например, два циклических нонапептида вырабатывает гипофиз. Окситоцин стимулирует сокращение матки у беременных самок и выделение молока у кормящих самок. Вазопрессин обладает сильным антидиуретическим действием и участвует в контроле кровяного давления. Соматостатин — один из гормонов гипоталамуса — ингибирует синтез гормона роста человека в гипофизе, что приводит к задержке роста и развития тела.

В 1975 г. открыта группа пептидов, которые оказывают влияние на передачу нервных импульсов. Их также называют опиатными пептидами, поскольку механизм их действия сходен с механизмом действия морфина и других опиоидов. Они присутствуют в очень малых количествах, как у позвоночных, так и у беспозвоночных. Эти вещества обладают сильным обезболивающим действием, а также участвуют в регуляции настроения и поведения.

1.7 Белки

Полипептиды, содержащие больше 51 аминокислоты, относятся к белкам. Белки входят в состав всех клеток и тканей живых организмов. Около 50% сухого вещества клетки приходится на белки.

Белки характеризуются определенным элементарным составом. Химический анализ показал наличие во всех белках углерода (50−55%), кислорода (21−24%), азота (15−18%), водорода (6−7%), серы (0,3−2,5%). В составе отдельных белков обнаружены также фосфор, йод, железо, медь и некоторые другие макро и микроэлементы, в различных, часто очень малых количествах.

Белками (протеинами, от греческого protas — первый, важнейший) называют высокомолекулярные природные полимеры, молекулы которых построены из остатков аминокислот.

Поразительно то, что все белки во всех организмах построены их одного и того же набора — 20-ти аминокислот, каждая из которых не обладает никакой биологической активностью. Что же тогда придает белку специфическую активность, одним ферментативную, другим, гормональную, третьим защитную и т. д.

Ответ довольно прост: белки отличаются друг от друга тем, что каждый имеет свою характерную для него аминокислотную последовательность.

Аминокислоты — это алфавит белковой структуры; соединив их в различном порядке можно получить бесконечное число последовательностей, а, следовательно, и бесконечное количество разнообразных белков, выполняющих различные биологические функции.

1. Ферментативная (каталитическая). В биологических системах почти все реакции катализируются специфическими белками — ферментами. В настоящее время открыто около 300 различных ферментов, каждый из которых служит катализатором определенной биологической реакции. Синтез и распад веществ, их регуляция, перенос химических групп и электронов от одного вещества к другому осуществляется с помощью ферментов.

2. Строительная, структурная функция. Белки образуют основу протоплазмы любой живой клетки, в комплексе с липидами они являются основным структурным материалом всех клеточных мембран всех органелл.

3. Двигательная функция. Любые формы движения в живой природе (работа мышц, движение ресничек и жгутиков у простейших, движение протоплазмы в клетке и т. д.) осуществляется белковыми структурами.

4. Транспортная функция. Перенос различных молекул, ионов осуществляется специфическими белками. Например, белок крови гемоглобин переносит кислород к тканям. Перенос жирных кислот по организму происходит с участием другого белка крови-альбумина.

5. Регуляторная функция. Регуляция углеводного, белкового, липидного обменов осуществляется с помощью гормонов, которые по своему строению относятся к белкам (инсулин) или пептидам (окситоцин, вазопрессин и др.).

6. Защитная — эту функцию выполняют иммуноглобулины (антитела). Они обладают способностью обезвреживать бактерии, вирусы, чужеродные белки, попавшие в организм извне. Процесс свертывания крови, защищающий организм от ее потери, основан на превращениях белка — фибриногена. Кератин — белок волосяного защитного покрова.

7. Фоторецепторные белки: например, родопсин, участвующий в зрительных процессах.

8. Резервные белки используются, как запасной материал для питания развивающегося зародыша и новорожденного организма — это белки семян зернобобовых культур, альбумин — яичный белок, казеин молока. Ферретин — белок животных тканей в котором запасено железо. Резервные белки являются важнейшими компонентами растительной и животной пищи.

Имеется много других белков, функции которых довольно необычны. Например, монеллин — белок, выделенный из африканского растения, имеет очень сладкий вкус. Его изучают как вещество нетоксичное и не способствующее ожирению, с целью использования в пищу вместо сахара. Плазма крови некоторых антарктических рыб содержи белок, обладающий свойствами антифриза.

Технология многих производств основана на переработке белков, изменении их свойств; в кожевенной промышленности, при выделке мехов, натурального шелка, выработке сыров, хлеба и т. д.

1.8 Строение белковой молекулы

Для описания строения белковой молекулы были введены понятия о первичной, вторичной, третичной и четвертичной структурах белковой молекулы. В последние годы появились еще такие понятия, как сверхвторичная структура, характеризующая энергетически предпочтительные агрегаты вторичной структуры, и домены — части белковой глобулы, представляющие собой достаточно обособленные глобулярные области.

Количество и последовательность расположения аминокислот, и местоположение дисульфидных связей в полипептидной цепи определяют первичную структуру белка. Между первичной структурой белка и его функцией у данного организма существует самая тесная связь. Для того, чтобы белок выполнял свойственную ему функцию, необходима совершенно определенная последовательность аминокислот в полипептидной цепи этого белка. Даже небольшие изменения в первичной структуре могут значительно изменять свойства белка и соответственно его функции. Например, в эритроцитах здоровых людей содержится белокгемоглобин с определенной последовательностью аминокислот. Небольшая часть людей имеет врожденную аномалию структуры гемоглобина: их эритроциты содержат гемоглобин, у которого в одном положении вместо глутаминовой кислоты (заряженной, полярной) содержится аминокислота валин (гидрофобная, неполярная). Такой гемоглобин существенно отличается по физико-химическим и биологическим свойствам от нормального. Появление гидрофобной аминокислоты, приводит к возникновению «липкого» гидрофобного контакта (эритроциты плохо передвигаются в кровеносных сосудах), к изменению формы эритроцита (из двояковогнутого в серповидный), а также к ухудшению переноса кислорода и т. д. Дети, родившееся с этой аномалией, в раннем детстве погибают от серповидноклеточной анемии.

Исчерпывающие доказательства в пользу утверждения, что биологическая активность определяется аминокислотной последовательностью, были получены, после искусственного синтеза фермента рибонуклеазы (Меррифилд). Синтезированный полипептид с той же аминокислотной последовательностью, что и естественный фермент, обладал такой же ферментативной активностью.

Исследования последних десятилетий показали, что первичная структура закреплена генетически и в свою очередь определяет вторичную, третичную и четвертичную структуры белковой молекулы и ее общую конформацию. Первым белком, у которого была установлена первичная структура, был белковый гормон инсулин (содержит 51 аминокислоту). Это было сделано в 1953 г. Фредериком Сэнгером. К настоящему времени расшифрована первичная структура более десяти тысяч белков, но это очень небольшое количество, если учесть, что в природе белков около 10¹².

Зная первичную структуру белка, можно точно написать его структурную формулу, если белок представлен одной полипептидной цепью. Если в состав белка входит несколько полипептидных цепей, то их предварительно разъединяют, используя специальные реактивы. Для определения первичной структуры отдельной полипептидной цепи, методами гидролиза с использованием аминокислотных анализаторов, устанавливают ее аминокислотный состав. Затем, применяя специальные методы и реагенты, определяют природу концевых аминокислот. Для установления порядка чередования аминокислот, полипептидную цепь подвергают ферментативному гидролизу, при котором образуются осколки этой полипептидной цепи — короткие пептиды. Эти пептиды разделяют методом хроматографии и устанавливают последовательность аминокислот в каждом. Таким образом, достигается этап, когда последовательность аминокислот в отдельных пептидах (фрагментах белка) известна, но остается невыясненной последовательность самих пептидов. Последнюю устанавливают с помощью так называемых перекрывающихся пептидов. Для этого используются какой-либо другой фермент, расщепляющий исходную полипептидную цепь в других участках, и определяют аминокислотную последовательность вновь полученных пептидов. Пептиды, образованные под действием двух ферментов, содержат одинаковые фрагменты аминокислотных последовательностей., совмещая их устанавливают общую аминокислотную последовательность полипептидной цепи.

Большой вклад в изучение строения белковой молекулы сделали Л. Полинг и Р. Кори. Обратив внимание на то, что в молекуле белка больше всего пептидных связей, они первыми провели кропотливые рентгеноструктурные исследования этой связи. Изучили длины связей, углы под которыми располагаются атомы, направление расположения атомов относительно связи. На основании исследований были установлены следующие основные характеристики пептидной связи.

1. Четыре атома пептидной связи и два присоединенныхуглеродных атома лежат в одной плоскости. Группы R и Нуглеродных атомов лежат вне этой плоскости.

2. Атомы О и Н пептидной связи и двауглеродных атома и R-группы имеют транс-ориентацию относительно пептидной связи.

3. Длина связи С-N, равная 1,32 Е, имеет промежуточное значение между длиной двойной ковалентной связи (1,21 Е) и однородной ковалентной связи (1,47 Е). Отсюда следует, что связь С-N имеет частично характер двойной связи. Т. е. пептидная связь может существовать в виде резонансных и таутамерных структур, в кето-енольной форме.

Вращение вокруг связиС=Nзатруднено и все атомы, входящие в пептидную группу, имеют планарную транс-конфигурацию. Цис-конфигурация является энергетически менее выгодной и встречается лишь в некоторых циклических пептидах. Каждый планарный пептидный фрагмент содержит две связи суглеродными атомами, способными к вращению. Это связи С-N (угол вращения вокруг этой связи обозначается) и связь С-С (угол вращения вокруг этой связи обозначается).

Пептидная связь по своей химической природе является ковалентной и придает высокую прочность первичной структуре белковой молекулы. Являясь повторяющимся элементом полипептидной цепи и имея специфические особенности структуры, пептидная связь влияет не только на форму первичной структуры, но и на высшие уровни организации полипептидной цепи.

Вторичная структура белковой молекулы образуется в результате того или иного вида свободного вращения вокруг связей, соединяющихуглеродные атомы в полипептидной цепи.

В природных полипептидных цепях обнаружены три основных типа структуры: -спираль, складчатый лист и статистический клубок. Спиральная структура образуется если в цепи одинаковые углы поворотов () для всех связей С-N и углом поворота () для всех связей С-С и равны соответственно -48є и -57є. Наиболее часто встречается правозакрученнаяспираль. Эта структура очень стабильна, т.к. в ней почти или полностью отсутствуют стерические затруднения, особенно для R-групп боковых цепей аминокислот. R-группы аминокислот направлены наружу от центральной осиспирали. Вспирали диполи =С=О и N-Н соседних пептидных связей ориентированы оптимальным образом (почти коаксиальны) для дипольного взаимодействия, образуя вследствие этого обширную систему внутримолекулярных кооперативных водородных связей, стабилизирующихспираль. Шаг спирали (один полный виток) 5,4Е включает, 3,6 аминокислотных остатка.

Рисунок 1 — Структура и параметрыспирали белка Спиральную структуру могут нарушить два фактора:

1) в наличие остатка пролина, циклическая структура которого вносит излом в пептидную цепь — нет группыNН₂, поэтому невозможно образования внутрицепочечной водородной связи;

2) если в полипептидной цепи подряд расположено много остатков аминокислот, имеющих положительный заряд (лизин, аргинин) или отрицательный заряд (глутаминовой, аспарагиновой кислот), в этом случае сильное взаимное отталкивание одноименнозаряженных групп (-СООилиNН₃⁺) значительно превосходит стабилизирующее влияние водородных связей вспирали.

Структура типа складчатого листа также стабилизирована водородными связями между теми же диполями =NН^…О=С. Однако в этом случае возникает совершенно иная структура, при которой остов полипептидной цепи вытянут таким образом, что имеет зигзагообразную структуру. Углы вращения для связей С-N₍₎ и С-С ₍₎ близки соответственно к -120+135⁰. Складчатые участки полипептидной цепи проявляют кооперативные свойства, т. е. стремятся расположиться рядом в белковой молекуле, и формируют параллельные одинаковонаправленные полипептидные цепи или антипараллельные, которые укрепляются благодаря водородным связям между этими цепями. Такие структуры называютсяскладчатые листы (рисунок 2).

Рисунок 2 — -структура полипептидных цепей

— Спиральные складчатые листы — это упорядоченные структуры, в них имеется регулярная укладка аминокислотных остатков в пространстве. Участки белковой цепи с нерегулярной укладкой аминокислотных остатков в пространстве, которые также удерживаются благодаря водородным связям — называются неупорядоченными, бесструктурными — статистическим клубком. Все эти структуры возникают самопроизвольно и автоматически вследствие того, что данный полипептид имеет определенную аминокислотную последовательность, которая предопределена генетически. -спирали иструктуры обуславливают определенную способность белков к выполнению специфических биологических функций. Так, -спиральная структура (-кератин) хорошо приспособлена к тому, чтобы образовывать наружные защитные структуры-перья, волосы, рога, копыта. -структура способствует образованию гибких и нерастяжимых нитей шелка и паутины, а конформация белка коллагена обеспечивает высокую прочность на разрыв, необходимую для сухожилий. Наличие толькоспиралей илиструктур характерно для нитевидных-фибрилярных белков. В составе глобулярных-шаровидных белков содержаниеспиралей иструктур и бесструктурных участков сильно варьирует. Например: инсулин спирализован-на 60%, фермент рибонуклеаза — 57%, белок куриного яйца лизоцим — на 40%.

Сведения о чередовании аминокислотных остатков в полипептидной цепи, а также о наличии в белковой молекуле спирализованных, складчатых и неупорядоченных участков еще не дают полного представления ни об объеме, ни о форме, ни тем более о взаимном расположении участков полипептидной цепи по отношению друг к другу.

Эти особенности строения белка выясняются при изучении его третичной структуры, под которой понимают общее расположение в пространстве в определенном объеме полипептидной цепи.

Третичная структура устанавливается с помощью рентгеноструктурного анализа. Первая модель молекулы белка — миоглобина, отражающая его третичную структуру, была создана Дж. Кендрю с сотрудниками в 1957 г. Несмотря на большие трудности к настоящему времени удалось установить третичную структуру более 1000 белков, в том числе гемоглобина, пепсина, лизоцима, инсулина и т. д.

Третичная структура белков образуется путем дополнительного складывания пептидной цепи содержащейспираль, -структуры и участки без периодической структуры. Третичная структура белка формируется совершенно автоматически, самопроизвольно и полностью предопределяется первичной структурой. Основной движущей силой в возникновении трехмерной структуры, является взаимодействие радикалов аминокислот с молекулами воды. При этом неполярные гидрофобные радикалы аминокислот группируются внутри белковой молекулы, в то время как полярные радикалы ориентируются в сторону воды. В какой-то момент возникает термодинамически наиболее выгодная стабильная конформация молекулы — глобула. В такой форме белковая молекула характеризуется минимальной свободной энергией. На конформацию возникшей глобулы оказывают влияние такие факторы как рН раствора, ионная сила раствора, а также взаимодействие белковых молекул с другими веществами.

В последнее время появились доказательства, что процесс формирования третичной структуры не является автоматическим, а регулируется и контролируется специальными молекулярными механизмами. В этом процессе задействованы специфические белки — шапероны. Основными функциями их являются способность предотвращать образование из полипептидной цепи неспецифических (хаотичных) беспорядочных клубков, и обеспечение доставки (транспорта) их к субклеточным мишеням, создавая условия для завершения свертывания белковой молекулы.

Стабилизация третичной структуры обеспечивается благодаря нековалентным взаимодействиям между атомными группировками боковых радикалов следующих типов:

— водородные связи могут возникать между функциональными группами боковых радикалов. Например, между ОН группой тирозина иN в кольце остатка гистидина.

— электростатические силы притяжения между радикалами, несущими противоположно заряженные ионные группы (ион-ионные взаимодействия), например отрицательно заряженная карбоксильная группа (- СОО-) аспарагиновой кислоты и (NН₃⁺) положительно заряженнойаминогруппой остатка лизина.

— гидрофобные взаимодействия обусловлены силами Ван-дер-Ваальса между неполярными радикалами аминокислот. (Например, группамиСН₃ — аланина.

Стабилизируется третичная структура и ковалентной дисульфидной связью (-S-S-) между остатками цистеина. Эта связь очень прочная и присутствует не во всех белках. Важную роль эта связь играет в белковых веществах зерна и муки, т.к. оказывает влияние на качество клейковины, структурно-механические свойства теста и соответственно на качество готовой продукции — хлеба и т. д.

Белковая глобула не является абсолютно жесткой структурой: в известных приделах возможны обратимые перемещения частей пептидной цепи относительно друг друга с разрывом небольшого количества слабых связей и образования новых. Молекула как бы дышит, пульсирует в разных своих частях. Эти пульсации не нарушают основного плана конформации молекулы, подобно тому, как тепловые колебания атомов в кристалле не изменяют структуру кристалла, если температура не настолько велика, что наступает плавление.

Только после приобретения белковой молекулой естественной, нативной третичной структуры он проявляет свою специфическую функциональную активность: каталитическую, гормональную, антигенную и т. д. Именно при образовании третичной структуры происходит формирование активных центров ферментов, центров ответственных за встраивание белка в мультиферментный комплекс, центров, ответственных за самосборку надмолекуляных структур. Поэтому любые воздействия (термические, физические, механические, химические), приводящие к разрушению этой нативной конформации белка (разрыв связей), сопровождается частичной или полной потерей белком его биологических свойств.

Изучение полных химических структур некоторых белков показало, что в их третичной структуре выявляются зоны, где сконцентрированы гидрофобные радикалы аминокислот, и полипептидная цепь фактически обматывается вокруг гидрофобного ядра. Более того, в ряде случаев в белковой молекуле обособляются два и даже три гидрофобных ядра, в результате возникает 2-х или 3-х ядерная структура. Такой тип строения молекулы характерен для многих белков, обладающих каталитической функцией (рибонуклеаза, лизоцим и т. д.). Обособленная часть или область молекулы белка обладающая в определенной степени структурной и функциональной автономией называется доменом. У ряда ферментов, например, обособленны субстрат-связывающие и кофермент связывающие домены.

Третичная структура белка имеет прямое отношение к его форме, которая может быть различной: от шарообразной до нитевидной. Форма белковой молекулы характеризуется таким показателем, как степень асимметрии (отношение длинной оси к короткой). У фибриллярных или нитевидных белков степень асимметрии больше 80. При степени асимметрии меньше 80 белки относятся к глобулярным. Большинство из них имеет степень асимметрии 3−5, т. е. третичная структура характеризуется достаточно плотной упаковкой полипептидной цепи, приближающейся по форме к шару.

В биологическом отношении фибриллярные белки играют очень важную роль, связанную с анатомией и физиологией животных. У позвоночных на долю этих белков приходится 1/3 от их общего содержания. Примером фибрилярных белков может служить белок шелка — фиброин, который состоит из нескольких антипараллельных цепей со структурой складчатого листа. Белоккератин содержит от 3−7 цепей. Коллаген имеет сложную структуру, в которой 3 одинаковые левовращающие цепи скручены вместе с образованием правовращающей тройной спирали. Эта тройная спираль стабилизирована многочисленными межмолекулярными водородными связями. Наличие таких аминокислот, как гидроксипролина и гидроксилизина также вносит вклад в образование водородных связей, стабилизирующих структуру тройной спирали. Все фибриллярные белки плохо растворимы или совсем нерастворимы в воде, так как в их составе содержится много аминокислот, содержащих гидрофобные, нерастворимые в воде R-группы изолейцин, фенилаланин, валин, аланин, метионин. После специальной обработки нерастворимый и неперевариваемый коллаген превращается в желатин-растворимую смесь полипептидов, который затем используют в пищевой промышленности.

Глобулярные белки выполняют разнообразные биологические функции. Они выполняют транспортную функцию, т. е. переносят питательные вещества, неорганические ионы, липиды и т. д. К этому же классу белков принадлежат гормоны, а также компоненты мембран и рибосом. Все ферменты тоже глобулярные белки.

Белки содержащие две или большее число полипептидных цепей называют олигомерными белками для них характерно наличие четвертичной структуры. Полипептидные цепи (промеры) в таких белках могут быть либо одинаковыми либо разными. Олигомерные белки называют гомогенными, если их протомеры одинаковы и гетерогенными, если их протомеры различны. Например-белок гемоглобин состоит из 4-х цепей: двух — и двух — протомеров. Ферментамилаза состоит из 2-х одинаковых полипептидных цепей. В олигомерных белках каждая из полипептидных цепей характеризуется своей вторичной и третичной структурой, и называется субъединицей или протомером. Протомеры взаимодействуют друг с другом не любой частью своей поверхности, а определенным участком (контактной поверхностью). Контактные поверхности имеют такое расположение атомных группировок, между которыми возникают водородные, ионные, гидрофобные связи. Кроме того, геометрия протомеров также способствует их соединению. Протомеры подходят друг к другу, как ключ к замку. Такие поверхности называются комплиментарными. Каждый протомер взаимодействует с другим во множестве точек, это приводит к тому, что соединение с другими полипептидными цепями или белками невозможно. Такие комплиментарные взаимодействия молекул лежат в основе всех биохимических процессов в организме. Под четвертичной структурой понимают расположение полипептидных цепей (протомеров) относительно друг друга, т. е. способ их совместной укладки и упаковки с образованием нативной конформации олигомерного белка, в результате чего белок обладает той или иной биологической активностью.

1.9 Физико-химические свойства белков

Белки, благодаря присутствию в их составе ионных и полярных группировок (-NH₂; -COOH; -SH; -OH и т. д.) существуют в водных растворах в виде заряженных частиц. В зависимости от соотношения в белке основных (NH-аминных) и кислых (-СООН карбоксильных) группировок и рН среды молекула белка в водном растворе приобретает положительный или отрицательный заряд. Большинство белков животного происхождения содержат в своем составе больше дикарбоновых аминокислот аспарагиновой и глютаминовой и поэтому в водных растворах они заряжаются отрицательно (белки-анионы). Некоторые белки содержат в своем составе значительные количества диаминокислот (аргинина, лизина, гистидина) и поэтому заряжаются положительно (белки-катионы). Одноименный заряд молекул способствует взаимному отталкиванию частиц, что обеспечивает устойчивость их в водном растворе.

Число ионизированных групп в белке может быть увеличено или уменьшено при изменении рН среды. В кислой среде подавляется диссоциация карбоксильных групп и отрицательный суммарный заряд белка уменьшается. Наоборот, в щелочной среде подавляется ионизация аминных групп и положительный суммарный заряд белка уменьшается. При определенном значении рН число положительных зарядов на поверхности белковой молекулы будет равным числу отрицательных зарядов и, в целом заряд молекулы белка станет равным нулю. Состояние белка, при котором суммарный заряд его равен нулю, называется изоэлектрическим состоянием. рН, при котором белок находится в изоэлектрическом состоянии называется изоэлектрической точкой белка и обозначается рI. В изоэлектрической точке отсутствие заряда у молекул белка ослабляет силы отталкивания между белковыми частицами, что благоприятствует агрегации белковых молекул и выпадению белка в осадок, т. е. в изоэлектрической точке раствор белка неустойчив, так как белок теряет один из факторов стабилизации белковых водных растворов — заряд.

При добавлении щелочи или кислоты к белку, выпавшему в осадок в изоэлектрическом состоянии, наступает перезарядка его молекул, и белок вновь переходит в раствор — растворяется.

Белки сохраняют свою нативную структуру, а, следовательно, выполняют свойственную им функцию только при определенных физико-химических параметрах среды. Если каким-то образом разрушить связи стабилизирующие пространственную структуру (вторичную, третичную, четвертичную) белковой молекулы, то упорядоченная, уникальная для каждого белка конформация пептидной цепи нарушается и молекула целиком или в значительной части принимает форму случайного беспорядочного клубка. Такое изменение белка называют денатурацией. При денатурации белка первичная структура сохраняется.

Денатурацию можно вызвать действием физических и химических факторов. Высокая температура (выше 60є) вызывает разрушение в белке гидрофобных и водородных связей.

Скорость тепловой денатурации зависит от температуры, влажности, (сухие белки более устойчивы к денатурации) присутствия солей, их концентрации. Тепловая денатурация сопровождается агрегацией белков, выпадением их в осадок, что представляет собой уже вторичное явление. Типичным примером денатурации может служить свертывание белков куриного яйца при нагревании.

Белки денатурируют и при многих механических воздействиях: растирании, энергичном встряхивании, при облучении ультрафиолетовом, высокочастотном и т. д. При лиофилизации большинство белов не денатурирует, поэтому этот способ сушки используется для получения белковых препаратов.

Действие кислот и щелочей так же вызывает денатурацию вследствие перезарядки и изменения диссоциации ионогенных аминокислот. При сильном подкислении или подщелачивании все диссоциирующие группы белка имеют одноименный заряд (преимущественно NН₃⁺-групп при низких значениях рН иСОО- - при высоких). Взаимное отталкивание одноименных зарядов вызывает разрыв части слабых связей, в результате чего нарушается нативная структура. Однако имеются белки, которые устойчивы при крайних значениях рН. Например, пепсин при рН 1,5−2 имеет максимальную активность, у аргиназы оптимум рН 9,5−9,7.

Денатурация может быть вызвана катионами тяжелых металлов и некоторыми анионами — иода, тиоционата и др. Считают, что при этом образуются прочные комплексные соединения и происходит нарушение собственных связей в белке ионных, водородных, гидрофобных.

Действие органических растворителей вызывает нарушение гидрофобных взаимодействий в молекулах белка.

Полярные денатурирующие агенты низкие спирты, этиленгликоль, диоксан и др. образуют водородные связи с аминогруппами или карбоксильными группами пептидного остова и с некоторыми группами радикалов аминокислот, подменяя собственные внутримолекулярные водородные связи в белке, вследствие чего четвертичная, третичная и вторичная структуры частично или полностью разрушаются.

Некоторые химические соединения (глицерин, глюкоза и др. сахара) оказывают на белки защитное действие. Считают, что это связано с их адсорбцией на глобулах белков и образованием крупных гидрофильных комплексов. Денатурация белков сопровождается изменением их физико-химических свойств. Снижается растворимость, гидрофильность белка, его вязкость, оптические свойства. Денатурированные белки дают более интенсивные цветные реакции на аминокислоты, т.к. они стали более доступными вследствие развертывания полипептидной цепочки. «Обнажаются» при этом и пептидные связи, поэтому протеолиз денатурированных белков ферментами протекает с большей скоростью, чем нативных.