Название «белки» происходит от способности многих из них при нагревании становиться белыми. Название «протеины» происходит от греческого слова «первый», что указывает на их важное значение в организме. Чем выше уровень организации живых существ, тем разнообразнее состав белков.

Белки образуются из аминокислот, которые соединяются между собой ковалентной – пептидной связью: между карбоксильной группой одной аминокислоты и аминогруппой другой. При взаимодействии двух аминокислот образуется дипептид (из остатков двух аминокислот, от греч. пептос – сваренный). Замена, исключение или перестановка аминокислот в полипептидной цепи вызывает возникновение новых белков. Например, при замене лишь одной аминокислоты (глутамина на валин) возникает тяжелая болезнь – серповидно-клеточная анемия, когда эритроциты имеют другую форму и не могут выполнять свои основные функции (перенос кислорода). При образовании пептидной связи отщепляется молекула воды. В зависимости от количества аминокислотных остатков выделяют:

– олигопептиды (ди-, три-, тетрапептиды и т. п.) – содержат до 20 аминокислотных остатков;

– полипептиды – от 20 до 50 аминокислотных остатков;

– белки – свыше 50, иногда тысячи аминокислотных остатков

По физико-химическим свойствам различают белки гидрофильные и гидрофобные.

Существуют четыре уровня организации белковой молекулы – равноценные пространственные структуры (конфигурации , конформации ) белков: первичная, вторичная, третичная и четвертичная.

Первичная структура белков является простейшей. Имеет вид полипептидной цепи, где аминокислоты связаны между собой прочной пептидной связью. Определяется качественным и количественным составом аминокислот и их последовательностью.

Вторичная структура белков

Вторичная структура образована преимущественно водородными связями, которые образовались между атомами водорода NH-группы одного завитка спирали и кислорода СО-группы другого и направлены вдоль спирали или между параллельными складками молекулы белка. Белковая молекула частично или целиком скручена в α-спираль или образует β-складчатую структуру. Например, белки кератина образуют α-спираль. Они входят в состав копыт, рогов, волос, перьев, ногтей, когтей. β-складчатую имеют белки, которые входят в состав шелка. Извне спирали остаются аминокислотные радикалы (R-группы). Водородные связи значительно более слабые, чем ковалентные, но при значительном их количестве образуют довольно прочную структуру.

Функционирование в виде закрученной спирали характерно для некоторых фибриллярных белков – миозин, актин, фибриноген, коллаген и т. п.

Третичная структура белка

Третичная структура белка. Эта структура постоянна и своеобразна для каждого белка. Она определяется размером, полярностью R-групп, формой и последовательностью аминокислотных остатков. Полипептидная спираль закручивается и укладывается определенным образом. Формирование третичной структуры белка приводит к образованию особой конфигурации белка – глобулы (от лат. globulus – шарик). Его образование обуславливается разными типами нековалентных взаимодействий: гидрофобные, водородные, ионные. Между остатками аминокислоты цистеина возникают дисульфидные мостики.

Гидрофобные связи – это слабые связи между неполярными боковыми цепями, которые возникают в результате взаимного отталкивания молекул растворителя. При этом белок скручивается так, что гидрофобные боковые цепи погружены вглубь молекулы и защищают ее от взаимодействия с водой, а снаружи расположены боковые гидрофильные цепи.

Третичную структуру имеет большинство белков – глобулины, альбумины и т. п.

Четвертичная структура белка

Четвертичная структура белка. Образуется в результате объединения отдельных полипептидных цепей. В совокупности они составляют функциональную единицу. Типы связей разные: гидрофобные, водородные, электростатические, ионные.

Электростатические связи возникают между электроотрицательными и электроположительными радикалами аминокислотных остатков.

Для одних белков характерно глобулярное размещение субъединиц – это глобулярные белки. Глобулярные белки легко растворяются в воде или растворах солей. К глобулярным белкам принадлежит свыше 1000 известных ферментов. К глобулярным белкам относятся некоторые гормоны, антитела, транспортные белки. Например, сложная молекула гемоглобина (белка эритроцита крови) является глобулярным белком и состоит из четырех макромолекул глобинов: двух α-цепей и двух β-цепей, каждая из которых соединена с гемом, содержащим железо.

Для других белков характерно объединение в спиральные структуры – это фибриллярные (от лат. fibrilla – волоконце) белки. Несколько (от 3 до 7) α–спиралей свиваются вместе, подобно волокнам в кабеле. Фибриллярные белки нерастворимы в воде.

Белки делят на простые и сложные.

Простые белки (протеины)

Простые белки (протеины) состоят только из остатков аминокислот. К простым белкам относят глобулины, альбумины, глутелины, проламины, протамины, пистоны. Альбумины (например, альбумин сыворотки крови) растворимы в воде, глобулины (например, антитела) нерастворимы в воде, но растворимы в водных растворах некоторых солей (хлорид натрия и т. п.).

Сложные белки (протеиды)

Сложные белки (протеиды) включают в состав, кроме остатков аминокислот, соединения другой природы, которые называются простетическою группой. Например, металлопротеиды – это белки, содержащие негеминовое железо или связанные атомами металлов (большинство ферментов), нуклеопротеиды – белки, соединенные с нуклеиновыми кислотами (хромосомы и т. п.), фосфопротеиды –белки, в состав которых входят остатки фосфорной кислоты (белки яичного желтка и т. п.), гликопротеиды –белки в соединении с углеводами (некоторые гормоны, антитела и т. п.), хромопротеиды – белки, содержащий пигменты (миоглобин и т. п.), липопротеиды – белки, содержащие липиды (входят в состав мембран).

Белки — высокомолекулярные органические соединения, состоящие из остатков α-аминокислот.

В состав белков входят углерод, водород, азот, кислород, сера. Часть белков образует комплексы с другими молекулами, содержащими фосфор, железо, цинк и медь.

Белки обладают большой молекулярной массой: яичный альбумин — 36 000, гемоглобин — 152 000, миозин — 500 000. Для сравнения: молекулярная масса спирта — 46, уксусной кислоты — 60, бензола — 78.

Аминокислотный состав белков

Белки — непериодические полимеры, мономерами которых являются α-аминокислоты . Обычно в качестве мономеров белков называют 20 видов α-аминокислот, хотя в клетках и тканях их обнаружено свыше 170.

В зависимости от того, могут ли аминокислоты синтезироваться в организме человека и других животных, различают: заменимые аминокислоты — могут синтезироваться; незаменимые аминокислоты — не могут синтезироваться. Незаменимые аминокислоты должны поступать в организм вместе с пищей. Растения синтезируют все виды аминокислот.

В зависимости от аминокислотного состава, белки бывают: полноценными — содержат весь набор аминокислот; неполноценными — какие-то аминокислоты в их составе отсутствуют. Если белки состоят только из аминокислот, их называют простыми . Если белки содержат помимо аминокислот еще и неаминокислотный компонент (простетическую группу), их называют сложными . Простетическая группа может быть представлена металлами (металлопротеины), углеводами (гликопротеины), липидами (липопротеины), нуклеиновыми кислотами (нуклеопротеины).

Все аминокислоты содержат : 1) карбоксильную группу (-СООН), 2) аминогруппу (-NH 2), 3) радикал или R-группу (остальная часть молекулы). Строение радикала у разных видов аминокислот — различное. В зависимости от количества аминогрупп и карбоксильных групп, входящих в состав аминокислот, различают: нейтральные аминокислоты , имеющие одну карбоксильную группу и одну аминогруппу; основные аминокислоты , имеющие более одной аминогруппы; кислые аминокислоты , имеющие более одной карбоксильной группы.

Аминокислоты являются амфотерными соединениями , так как в растворе они могут выступать как в роли кислот, так и оснований. В водных растворах аминокислоты существуют в разных ионных формах.

Пептидная связь

Пептиды — органические вещества, состоящие из остатков аминокислот, соединенных пептидной связью.

Образование пептидов происходит в результате реакции конденсации аминокислот. При взаимодействии аминогруппы одной аминокислоты с карбоксильной группой другой между ними возникает ковалентная азот-углеродная связь, которую и называют пептидной . В зависимости от количества аминокислотных остатков, входящих в состав пептида, различают дипептиды, трипептиды, тетрапептиды и т.д. Образование пептидной связи может повторяться многократно. Это приводит к образованию полипептидов . На одном конце пептида находится свободная аминогруппа (его называют N-концом), а на другом — свободная карбоксильная группа (его называют С-концом).

Пространственная организация белковых молекул

Выполнение белками определенных специфических функций зависит от пространственной конфигурации их молекул, кроме того, клетке энергетически невыгодно держать белки в развернутой форме, в виде цепочки, поэтому полипептидные цепи подвергаются укладке, приобретая определенную трехмерную структуру, или конформацию. Выделяют 4 уровня пространственной организации белков .

Первичная структура белка — последовательность расположения аминокислотных остатков в полипептидной цепи, составляющей молекулу белка. Связь между аминокислотами — пептидная.

Если молекула белка состоит всего из 10 аминокислотных остатков, то число теоретически возможных вариантов белковых молекул, отличающихся порядком чередования аминокислот, — 10 20 . Имея 20 аминокислот, можно составить из них еще большее количество разнообразных комбинаций. В организме человека обнаружено порядка десяти тысяч различных белков, которые отличаются как друг от друга, так и от белков других организмов.

Именно первичная структура белковой молекулы определяет свойства молекул белка и ее пространственную конфигурацию. Замена всего лишь одной аминокислоты на другую в полипептидной цепочке приводит к изменению свойств и функций белка. Например, замена в β-субъединице гемоглобина шестой глутаминовой аминокислоты на валин приводит к тому, что молекула гемоглобина в целом не может выполнять свою основную функцию — транспорт кислорода; в таких случаях у человека развивается заболевание — серповидноклеточная анемия.

Вторичная структура — упорядоченное свертывание полипептидной цепи в спираль (имеет вид растянутой пружины). Витки спирали укрепляются водородными связями, возникающими между карбоксильными группами и аминогруппами. Практически все СО- и NН-группы принимают участие в образовании водородных связей. Они слабее пептидных, но, повторяясь многократно, придают данной конфигурации устойчивость и жесткость. На уровне вторичной структуры существуют белки: фиброин (шелк, паутина), кератин (волосы, ногти), коллаген (сухожилия).

Третичная структура — укладка полипептидных цепей в глобулы, возникающая в результате возникновения химических связей (водородных, ионных, дисульфидных) и установления гидрофобных взаимодействий между радикалами аминокислотных остатков. Основную роль в образовании третичной структуры играют гидрофильно-гидрофобные взаимодействия. В водных растворах гидрофобные радикалы стремятся спрятаться от воды, группируясь внутри глобулы, в то время как гидрофильные радикалы в результате гидратации (взаимодействия с диполями воды) стремятся оказаться на поверхности молекулы. У некоторых белков третичная структура стабилизируется дисульфидными ковалентными связями, возникающими между атомами серы двух остатков цистеина. На уровне третичной структуры существуют ферменты, антитела, некоторые гормоны.

Четвертичная структура характерна для сложных белков, молекулы которых образованы двумя и более глобулами. Субъединицы удерживаются в молекуле благодаря ионным, гидрофобным и электростатическим взаимодействиям. Иногда при образовании четвертичной структуры между субъединицами возникают дисульфидные связи. Наиболее изученным белком, имеющим четвертичную структуру, является гемоглобин . Он образован двумя α-субъединицами (141 аминокислотный остаток) и двумя β-субъединицами (146 аминокислотных остатков). С каждой субъединицей связана молекула гема, содержащая железо.

Если по каким-либо причинам пространственная конформация белков отклоняется от нормальной, белок не может выполнять свои функции. Например, причиной «коровьего бешенства» (губкообразной энцефалопатии) является аномальная конформация прионов — поверхностных белков нервных клеток.

Свойства белков

Аминокислотный состав, структура белковой молекулы определяют его свойства . Белки сочетают в себе основные и кислотные свойства, определяемые радикалами аминокислот: чем больше кислых аминокислот в белке, тем ярче выражены его кислотные свойства. Способность отдавать и присоединять Н + определяют буферные свойства белков ; один из самых мощных буферов — гемоглобин в эритроцитах, поддерживающий рН крови на постоянном уровне. Есть белки растворимые (фибриноген), есть нерастворимые, выполняющие механические функции (фиброин, кератин, коллаген). Есть белки активные в химическом отношении (ферменты), есть химически неактивные, устойчивые к воздействию различных условий внешней среды и крайне неустойчивые.

Внешние факторы (нагревание, ультрафиолетовое излучение, тяжелые металлы и их соли, изменения рН, радиация, обезвоживание)

могут вызывать нарушение структурной организации молекулы белка. Процесс утраты трехмерной конформации, присущей данной молекуле белка, называют денатурацией . Причиной денатурации является разрыв связей, стабилизирующих определенную структуру белка. Первоначально рвутся наиболее слабые связи, а при ужесточении условий и более сильные. Поэтому сначала утрачивается четвертичная, затем третичная и вторичная структуры. Изменение пространственной конфигурации приводит к изменению свойств белка и, как следствие, делает невозможным выполнение белком свойственных ему биологических функций. Если денатурация не сопровождается разрушением первичной структуры, то она может быть обратимой , в этом случае происходит самовосстановление свойственной белку конформации. Такой денатурации подвергаются, например, рецепторные белки мембраны. Процесс восстановления структуры белка после денатурации называется ренатурацией . Если восстановление пространственной конфигурации белка невозможно, то денатурация называется необратимой .

Функции белков

Функция	Примеры и пояснения
Строительная	Белки участвуют в образовании клеточных и внеклеточных структур: входят в состав клеточных мембран (липопротеины, гликопротеины), волос (кератин), сухожилий (коллаген) и т.д.
Транспортная	Белок крови гемоглобин присоединяет кислород и транспортирует его от легких ко всем тканям и органам, а от них в легкие переносит углекислый газ; в состав клеточных мембран входят особые белки, которые обеспечивают активный и строго избирательный перенос некоторых веществ и ионов из клетки во внешнюю среду и обратно.
Регуляторная	Гормоны белковой природы принимают участие в регуляции процессов обмена веществ. Например, гормон инсулин регулирует уровень глюкозы в крови, способствует синтезу гликогена, увеличивает образование жиров из углеводов.
Защитная	В ответ на проникновение в организм чужеродных белков или микроорганизмов (антигенов) образуются особые белки — антитела, способные связывать и обезвреживать их. Фибрин, образующийся из фибриногена, способствует остановке кровотечений.
Двигательная	Сократительные белки актин и миозин обеспечивают сокращение мышц у многоклеточных животных.
Сигнальная	В поверхностную мембрану клетки встроены молекулы белков, способных изменять свою третичную структуру в ответ на действие факторов внешней среды, таким образом осуществляя прием сигналов из внешней среды и передачу команд в клетку.
Запасающая	В организме животных белки, как правило, не запасаются, исключение: альбумин яиц, казеин молока. Но благодаря белкам в организме могут откладываться про запас некоторые вещества, например, при распаде гемоглобина железо не выводится из организма, а сохраняется, образуя комплекс с белком ферритином.
Энергетическая	При распаде 1 г белка до конечных продуктов выделяется 17,6 кДж. Сначала белки распадаются до аминокислот, а затем до конечных продуктов — воды, углекислого газа и аммиака. Однако в качестве источника энергии белки используются только тогда, когда другие источники (углеводы и жиры) израсходованы.
Каталитическая	Одна из важнейших функций белков. Обеспечивается белками — ферментами, которые ускоряют биохимические реакции, происходящие в клетках. Например, рибулезобифосфаткарбоксилаза катализирует фиксацию СО 2 при фотосинтезе.

Ферменты

Ферменты , или энзимы , — особый класс белков, являющихся биологическими катализаторами. Благодаря ферментам биохимические реакции протекают с огромной скоростью. Скорость ферментативных реакций в десятки тысяч раз (а иногда и в миллионы) выше скорости реакций, идущих с участием неорганических катализаторов. Вещество, на которое оказывает свое действие фермент, называют субстратом .

Ферменты — глобулярные белки, по особенностям строения ферменты можно разделить на две группы: простые и сложные. Простые ферменты являются простыми белками, т.е. состоят только из аминокислот. Сложные ферменты являются сложными белками, т.е. в их состав помимо белковой части входит группа небелковой природы — кофактор . У некоторых ферментов в качестве кофакторов выступают витамины. В молекуле фермента выделяют особую часть, называемую активным центром. Активный центр — небольшой участок фермента (от трех до двенадцати аминокислотных остатков), где и происходит связывание субстрата или субстратов с образованием фермент-субстратного комплекса. По завершении реакции фермент-субстратный комплекс распадается на фермент и продукт (продукты) реакции. Некоторые ферменты имеют (кроме активного) аллостерические центры — участки, к которым присоединяются регуляторы скорости работы фермента (аллостерические ферменты ).

Для реакций ферментативного катализа характерны: 1) высокая эффективность, 2) строгая избирательность и направленность действия, 3) субстратная специфичность, 4) тонкая и точная регуляция. Субстратную и реакционную специфичность реакций ферментативного катализа объясняют гипотезы Э. Фишера (1890 г.) и Д. Кошланда (1959 г.).

Э. Фишер (гипотеза «ключ-замок») предположил, что пространственные конфигурации активного центра фермента и субстрата должны точно соответствовать друг другу. Субстрат сравнивается с «ключом», фермент — с «замком».

Д. Кошланд (гипотеза «рука-перчатка») предположил, что пространственное соответствие структуры субстрата и активного центра фермента создается лишь в момент их взаимодействия друг с другом. Эту гипотезу еще называют гипотезой индуцированного соответствия .

Скорость ферментативных реакций зависит от: 1) температуры, 2) концентрации фермента, 3) концентрации субстрата, 4) рН. Следует подчеркнуть, что поскольку ферменты являются белками, то их активность наиболее высока при физиологически нормальных условиях.

Большинство ферментов может работать только при температуре от 0 до 40 °С. В этих пределах скорость реакции повышается примерно в 2 раза при повышении температуры на каждые 10 °С. При температуре выше 40 °С белок подвергается денатурации и активность фермента падает. При температуре, близкой к точке замерзания, ферменты инактивируются.

При увеличении количества субстрата скорость ферментативной реакции растет до тех пор, пока количество молекул субстрата не станет равным количеству молекул фермента. При дальнейшем увеличении количества субстрата скорость увеличиваться не будет, так как происходит насыщение активных центров фермента. Увеличение концентрации фермента приводит к усилению каталитической активности, так как в единицу времени преобразованиям подвергается большее количество молекул субстрата.

Для каждого фермента существует оптимальное значение рН, при котором он проявляет максимальную активность (пепсин — 2,0, амилаза слюны — 6,8, липаза поджелудочной железы — 9,0). При более высоких или низких значениях рН активность фермента снижается. При резких сдвигах рН фермент денатурирует.

Скорость работы аллостерических ферментов регулируется веществами, присоединяющимися к аллостерическим центрам. Если эти вещества ускоряют реакцию, они называются активаторами , если тормозят — ингибиторами .

Классификация ферментов

По типу катализируемых химических превращений ферменты разделены на 6 классов:

1. оксиредуктазы (перенос атомов водорода, кислорода или электронов от одного вещества к другому — дегидрогеназа),
2. трансферазы (перенос метильной, ацильной, фосфатной или аминогруппы от одного вещества к другому — трансаминаза),
3. гидролазы (реакции гидролиза, при которых из субстрата образуются два продукта — амилаза, липаза),
4. лиазы (негидролитическое присоединение к субстрату или отщепление от него группы атомов, при этом могут разрываться связи С-С, С-N, С-О, С-S — декарбоксилаза),
5. изомеразы (внутримолекулярная перестройка — изомераза),
6. лигазы (соединение двух молекул в результате образования связей С-С, С-N, С-О, С-S — синтетаза).

Классы в свою очередь подразделены на подклассы и подподклассы. В действующей международной классификации каждый фермент имеет определенный шифр, состоящий из четырех чисел, разделенных точками. Первое число — класс, второе — подкласс, третье — подподкласс, четвертое — порядковый номер фермента в данном подподклассе, например, шифр аргиназы — 3.5.3.1.

Перейти к лекции №2 «Строение и функции углеводов и липидов»

Перейти к лекции №4 «Строение и функции нуклеиновых кислот АТФ»

№1. Белки: пептидная связь, их обнаружение.

Белки – макромолекулы линейных полиамидов, образованных а-аминокислотами в результате реакции поликонденсации в биологических объектах.

Белки – это высокомолекулярные соединения, построенные из аминокислот . В создание белков участвует 20 аминокислот. Они связываются между собой в длинные цепи, которые образуют основу белковой молекулы большой молекулярной массы.

Функции белков в организме

Сочетание своеобразных химических и физических свойств бел­ков обеспечивает именно этому классу органических соединений центральную роль в явлениях жизни.

Белки имеют следующие биологические свойства, или осуществ­ляют следующие основные функции в живых организмах:

1. Каталитическая функция белков. Все биологические катализа­торы - ферменты являются белками. В настоящее время охарактеризо­вано тысячи ферментов, многие из них выделены в кристалличе­ской форме. Почти все ферменты - мощные катализаторы, повышающие скорости реакций, по крайней мере, в миллион раз. Эта функция белков является уникальной, не свойственной другим полимерным молекулам.

2. Питательная (резервная функция белков). Это, прежде всего белки, предназначенные для питания развивающегося зародыша: казеин молока, овальбумин яиц, запасные белки семян растений. Ряд других белков, несомненно, используется в организме в качестве источника аминокислот, которые, в свою очередь, являются предшественниками биологически активных веществ, регулирующих процесс обмена веществ.

3. Транспортная функция белков. Транспорт многих небольших молекул и ионов осуществляется специфическими белками. Например, дыхательная функция крови, а именно перенос кислорода, выполняется молекулами гемоглобина - белка эритроцитов. В транспорте липидов принимают участие альбумины сыворотки крови. Ряд других сывороточ­ных белков образует комплексы с жирами, медью, железом, тироксином, витамином А и другими соединениями, обеспечивая их доставку в соот­ветствующие органы.

4. Защитная функция белков. Основную функцию защиты вы­полняет иммуннологическая система, которая обеспечивает синтез спе­цифических защитных белков - антител - в ответ на поступление в орга­низм бактерий, токсинов или вирусов (антигенов). Антитела связывают антигены, взаимодействуя с ними, и тем самым нейтрализуют их биоло­гическое действие и сохраняют нормальное состояние организма. Свер­тывание белка плазмы крови - фибриногена - и образование сгустка кро­ви, предохраняющего от потери крови при ранениях - еще один пример защитной функции белков.

5. Сократительная функция белков. В акте мышечного сокраще­ния и расслабления участвует множество белков. Главную роль в этих процессах играют актин и миозин - специфические белки мышечной тка­ни. Сократительная функция присуща также и белкам субклеточных структур, что обеспечивает тончайшие процессы жизнедеятельности кле­ток,

6. Структурная функция белков. Белки с такой функцией зани­мают первое место среди других белков тела человека. Широко распро­странены такие структурные белки, как коллаген в соединительной тка­ни; кератин в волосах, ногтях, коже; эластин - в сосудистых стенках и др.

7. Гормональная (регуляторная) функция белков. Обмен веществ в организме регулируется разнообразными механизмами. В этой регуляцииважное место занимают гормоны, вырабатываемые железами внут­реннейсекреции. Ряд гормонов представлен белками, или полипептидами, например гормоны гипофиза, поджелудочной железы и др.

Пептидная связь

Формально образование белковой макромолекулы можно представить как реакцию поликонденсации α-аминокислот.

С химической точки зрения белки - это вы­сокомолекулярные азотсодержащие органические соединения (полиамиды), молекулы которых построены из остатков аминокислот. Мономерами белков служат α-аминокислоты, общим признаком которых является наличие карбок­сильной группы -СООН и аминогруппы -NH 2 у второго углеродного атома (α-углеродный атом):

Исходя из результатов изучения продуктов гидролиза белков и выдвинутых А.Я. Данилевским идей о роли пептидных связей -CO-NH- в построении белковой молекулы, немецкий ученый Э.Фишер предложил в начале XX века пептидную теорию строения белков. Согласно этой тео­рии, белки представляют собой линейные полимеры α-аминокислот, свя­занных пептидной связью - полипептиды:

В каждом пептиде один концевой аминокислотный остаток имеет свободную α-аминогруппу (N-конец), а другой - свободную α-карбок­сильную группу (С-конец). Структуру пептидов принято изображать, на­чиная с N-концевой аминокислоты. При этом аминокислотные остатки обозначаются символами. Например: Ala-Tyr-Leu-Ser-Tyr- - Cys. Этой записью обозначен пептид, в котором N-концевой α-аминокислотой яв­ ляется аланин, а С-концевой - цистеин. При чтении такой записи окончания названий всех кислот, кроме последних меняются на - "ил": аланил-тирозил-лейцил-серил-тирозил- -цистеин. Длина пептидной цепи в пептидах и белках, встречающихся в организме, колеблется от двух до сотен и тысяч аминокислотных остатков.

№2. Классификация простых белков.

К простым (протеинам) относят белки, дающие при гидролизе только аминокислоты.

Протеиноиды ____простые белки животного происхождения, нерастворимые вводе, растворах солей, разбавленных кислотах и щелочах. Выполняют главным образом опорные функции (например, Коллаген, кератин

протамины – положительно заряженные ядерные белки, с молекулярной массой 10-12 kDa. Примерно на 80% состоят из щелочных аминокислот, что дает им возможность взаимодействовать с нуклеиновыми кислотами посредством ионных связей. Принимают участие в регуляции генной активности. Хорошо растворимы в воде;

гистоны – ядерные белки, играющие важную роль в регуляции генной активности. Они найдены во всех эукариотических клетках, и разделены на 5 классов, различающихся по молекулярной массе и аминокислотному. Молекулярная масса гистонов находится в интервале от 11 до 22 kDa, а различия в аминокислотном составе касаются лизина и аргинина, содержание которых варьирует от 11 до 29% и от 2 до 14% соответственно;

проламины – не растворимы в воде, но растворимы в 70% спирте, особенности хим.строения – много пролина, глутаминовой кислоты нет лизина,

глутелины – растворимы в щелочных растворах,

глобулины – белки, не растворимые в воде и в полунасыщенном растворе сернокислого аммония, но растворимые в водных растворах солей, щелочей и кислот. Молекулярная масса – 90-100 kDa;

альбумины – белки животных и растительных тканей, растворим в воде и солевых растворах. Молекулярнаяя масса равна 69 kDa;

склеропротеины – белки опорных тканей животных

В качестве примеров простых белков могут служить фиброин шелка, яичный сывороточный альбумин, пепсин и др.

№3. Способы выделения и осаждения (очистки) белков.

№4. Белки как полиэлектролиты. Изоэлектрическая точка белка.

Белки являются амфотерными полиэлектролитами, т.е. прояв­ляют как кислотные, так и основные свойства. Это обусловлено наличи­ем в молекулах белков аминокислотных радикалов, способных к иониза­ции, а также свободных α-амино- и α-карбоксильных групп на концах пептидных цепей. Кислотные свойства белку придают кислые аминокис­лоты (аспарагиновая, глутаминовая), а щелочные свойства - основные аминокислоты (лизин, аргинин, гистидин).

Заряд белковой молекулы зависит от ионизации кислых и основ­ных групп аминокислотных радикалов. В зависимости от соотношения отрицательных и положительных групп молекула белка в целом приобре­тает суммарный положительный или отрицательный заряд. При подкислении раствора белка степень ионизации анионных групп снижается, а катионных повышается; при подщелачивании - наоборот. При опреде­ленном значении рН число положительно и отрицательно заряженных групп становится одинаковым, возникает изоэлектрическое состояние белка (суммарный заряд равен 0). Значение рН, при котором белок нахо­дится в изоэлектрическом состоянии, называют изоэлектрической точкой и обозначают pI, аналогично аминокислотам. Для большинства белков pI лежит в пределах 5,5-7,0, что свидетельствует о некотором преоблада­нии в белках кислых аминокислот. Однако есть и щелочные белки, на­пример, сальмин - основной белок из молок семги (pl=12). Кроме того, есть белки, у которых pI имеет очень низкое значение, например, пепсин - фермент желудочного сока (pl=l). В изоэлектрической точке белки очень неустойчивые и легко выпадают в осадок, обладая наименьшей растворимостью.

Если белок не находится в изоэлектрическом состоянии, то в электрическом поле его молекулы будут перемещаться к катоду или аноду, в зависимости от знака суммарного заряда и со скоростью, про­порциональной его величине; в этом заключается сущность метода элек­трофореза. Этим методом можно разделять белки с различным значени­ем pI.

Белки хотя и обладают свойствами буфера, но емкость их при физиологических значениях рН ограничена. Исключение составляют бел­ки, содержащие много гистидина, так как только радикал гистидина об­ладает буферными свойствами в интервале рН 6-8. Таких белков очень мало. Например, гемоглобин, содержащий почти 8% гистидина, является мощным внутриклеточным буфером в эритроцитах, поддерживая рН кро­ви на постоянном уровне.

№5. Физико-химические свойства белков.

Белки имеют различные химические, физические и биологиче­ские свойства, которые определяются аминокислотным составом и прост­ранственной организацией каждого белка. Химические реакции белков очень разнообразны, они обусловлены наличием NH 2 -, СООН-групп и радикалов различной природы. Это реакции нитрования, ацилирования, алкилирования, этерификации, окисления-восстановления и другие. Белки обладают кислотно-основными, буферными, коллоидными и осмотиче­скими свойствами.

Кислотно-основные свойства белков

Химические свойства. При слабом нагревании водных растворов белков происходит денатурация. При этом образуется осадок.

При нагревании белков с кислотами происходит гидролиз, при этом образуется смесь аминокислот.

Физико-химические свойства белков

Белки имеют высокий молекулярный вес.

Заряд белковой молекулы. Все белки имеют хоть одну свободную -NH и - СООН группы.

Белковые растворы - коллоидные растворы с разными свойствами. Белки бывают кислыми и основными. Кислые белки содержат много глу и асп, у которых есть дополнительные карбоксильные и меньше аминогрупп. В щелочных белках много лиз и арг. Каждая молекула белка в водном растворе окружена гидратной оболочкой, так как у белков за счет аминокислот есть много гидрофильных группировок (-СООН, -ОН, -NH 2 , -SH). В водных растворах белковая молекула имеет заряд. Заряд белка в воде может меняться в зависимости от РН.

Осаждение белков. У белков есть гидратная оболочка, заряд, препятствующий склеиванию. Для осаждения необходимо снять гидратную оболочку и заряд.

1.Гидратация. Процесс гидратации означает связывание белками воды, при этом они проявляют гидрофильные свойства: набухают, их масса и объем увеличивается. Набухание белка сопровождается его частичным растворением. Гидрофильность отдельных белков зависит от их строения. Имеющиеся в составе и расположенные на поверхности белковой макромолекулы гидрофильные амидные (–CO–NH–, пептидная связь), аминные (NH2) и карбоксильные (COOH) группы притягивают к себе молекулы воды, строго ориентируя их на поверхность молекулы. Окружая белковые глобулы гидратная (водная) оболочка препятствует устойчивости растворов белка. В изоэлектрической точке белки обладают наименьшей способностью связывать воду, происходит разрушение гидратной оболочки вокруг белковых молекул, поэтому они соединяются, образуя крупные агрегаты. Агрегация белковых молекул происходит и при их обезвоживании с помощью некоторых органических растворителей, например этило- вого спирта. Это приводит к выпадению белков в осадок. При изменении pH среды макромолекула белка становится заряженной, и его гидратационная способность меняется.

Реакции осаждения делят на два вида.

Высаливание белков: (NH 4)SO 4 - снимается только гидратная оболочка, белок сохраняет все виды своей структуры, все связи, сохраняет нативные свойства. Такие белки можно затем вновь растворить и использовать.

Осаждения с потерей нативных свойств белка - процесс необратимый. С белка снимается гидратная оболочка и заряд, нарушаются различные свойства в белке. Например соли меди, ртути, мышьяка, железа, концентрированные неорганические кислоты - HNO 3 , H 2 SO 4 , HCl, органические кислоты, алкалоиды - танины, йодистая ртуть. Добавление органических растворителей понижает степень гидратации и приводит к осаждению белка. В качестве таких растворителей используют ацетон. Осаждают белки также с помощью солей, например, сульфата аммония. Принцип этого метода основан на том, что при повышении концентрации соли в растворе происходит сжатие ионных атмосфер, образуемых противоионами белка, что способствует сближению их до критического расстояния, на котором межмолекулярные силы ван-дер-ваальсова притяжения перевешивают кулоновские силы отталкивания противоионов. Это приводит к слипанию белковых частиц и их выпадению в осадок.

При кипячении молекулы белков начинают хаотично двигаться, сталкиваются, снимается заряд, уменьшается гидратная оболочка.

Для обнаружения белков в растворе применяются:

цветные реакции;

реакции осаждения.

Методы выделения и очистки белков.

гомогенизация - клетки растираются до однородной массы;

экстракция белков водными или водно-солевыми растворами;

1. высаливание;

   электрофорез;

   хроматография: адсорбция, расщепление;

   ультрацентрифугирование.

Структурная организация белков.

Первичная структура - определяется последовательностью аминокислот в пептидной цепочке, стабилизируется ковалентными пептидными связями (инсулин, пепсин, химотрипсин).

Вторичная структура - пространственная структура белка. Это либо -спираль, либо -складчатость. Создаются водородные связи.

Третичная структура - глобулярные и фибриллярные белки. Стабилизируют водородные связи, электростатические силы (СОО-, NН3+), гидрофобные силы, сульфидные мостики, определяются первичной структурой. Глобулярные белки - все ферменты, гемоглобин, миоглобин. Фибриллярные белки - коллаген, миозин, актин.

Четвертичная структура - имеется только у некоторых белков. Такие белки построены из нескольких пептидов. Каждый пептид имеет свою первичную, вторичную, третичную структуру, называются протомерами. Несколько протомеров соединяются вместе в одну молекулу. Один протомер не функционирует как белок, а только в соединении с другими протомерами.

Пример: гемоглобин = -глобула + -глобула - переносит О 2 в совокупности, а не по раздельности.

Белок может ренатурировать. Для этого необходимо очень короткое воздействие агентов.

6) Способы обнаружения белков.

Белки – высокомолекулярные биологические полимеры, структурными (мономерными) звеньями которых служат -аминокислоты. Аминокислоты в белках соединены друг с другом пептидной связью,образование которой происходит за счет карбоксильной группы, стоящей у  -углеродного атома одной аминокислоты и  -аминной группы другой аминокислоты с выделением молекулы воды. Мономерные звенья белков называют остатками аминокислот.

Пептиды, полипептиды и белки отличаются не только количеством, составом но и последовательностью аминокислотных остатков, физико-химическими свойствами и функциями, выполняемыми в организме. Молекулярная масса белков варьирует от 6 тыс. до 1 млн. и более. Химические и физические свойства белков обусловлены химической природой и физико-химическими свойствами радикалов, входящих в них остатков аминокислот. Способы обнаружения и количественного определения белков в биологических объектах и продуктах питания, а также выделения их из тканей и биологических жидкостей основаны на физических и химических свойствах этих соединений.

Белки при взаимодействии с некоторыми химическими веществами дают окрашенные соединения . Образование этих соединений происходит при участии радикалов аминокислот, их специфических групп или пептидных связей. Цветные реакции позволяют установитьналичие белка в биологическом объекте или растворе и доказать присутствиеопределенных аминокислот в белковой молекуле . На основе цветных реакций разработаны некоторые методы количественного определения белков и аминокислот.

Универсальными считают биуретовую и нингидриновую реакции , так как их дают все белки.Ксантопротеиновая реакция, реакция Фоля и др. являются специфическими, так как они обусловлены радикальными группами определенных аминокислот в молекуле белка.

Цветные реакции позволяют установить наличие белка в исследуемом материале и присутствие определенных аминокислот в его молекулах.

Биуретовая реакция . Реакция обусловлена наличием в белках, пептидах, полипептидахпептидных связей , которые в щелочной среде образуют сионами меди (II) комплексные соединения, окрашенные вфиолетовый (с красным или с синим оттенком) цвет . Окраска обусловлена наличием в молекуле не менее двух групп-CO-NH- , связанных непосредственно между собой или при участии атома углерода или азота.

Ионы меди (II) соединяются двумя ионными связями с группами =С─О ˉ и четырьмя координационными связями с атомами азота (=N―).

Итенсивность окраски зависит от количества белка в растворе. Это позволяет использовать данную реакцию для количественного определения белка. Цвет окрашенных растворов зависит от длины полипептидной цепи. Белки дают сине-фиолетовое окрашивание; продукты их гидролиза (поли- и олигопептиды) – красную или розовую окраску. Биуретовую реакцию дают не только белки, пептиды и полипептиды но и биурет (NH 2 -CO-NH-CO-NH 2) , оксамид (NH 2 -CO-CO-NH 2), гистидин.

Образующееся в щелочной среде комплексное соединение меди (II) с пептидными группами имеет следующее строение:

Нингидриновая реакция . В этой реакции растворы белка, полипептидов, пептидов и свободных α-аминокислот при нагревании с нингидрином дают синее, сине-фиолетовое или розово-фиолетовое окрашивание. Окраска в этой реакции развивается за счет α-аминогруппы.

Очень легко реагируют с нингидрином -аминокислоты. Наряду с ними сине-фиолетовый Руэмана образуют также белки, пептиды, первичные амины, аммиак и некоторые другие соединения. Вторичные амины, например пролин и оксипролин, дают желтую окраску.

Нингидриновую реакцию широко используют для обнаружения и количественного определения аминокислот.

Ксантопротеиновая реакция. Эта реакция указывает на наличие в белках остатков ароматических аминокислот – тирозина, фенилаланина, триптофана. Основана на нитровании бензольного кольца радикалов этих аминокислот с образованием нитросоединений, окрашенных в желтый цвет (греческое «Ксантос» – желтый). На примере тирозина эту реакцию можно описать в виде следующих уравнений.

В щелочной среде нитропроизводные аминокислот образуют соли хиноидной структуры, окрашенные в оранжевый цвет. Ксантопротеиновую реакцию дают бензол и его гомологи, фенол и другие ароматические соединения.

Реакции на аминокислоты, содержащие тиоловую группу в восстановленном или окисленном состоянии (цистеин, цистин).

Реакция Фоля. При кипячении со щелочью от цистеина легко отщепляется сера в виде сероводорода, который в щелочной среде образует сульфид натрия:

В связи с этим реакции определения тиолсодержащих аминокислот в растворе подразделяют на два этапа:

Переход серы из органического состояния в неорганическое

Обнаружение серы в растворе

Для выявления сульфида натрия используют ацетат свинца, который при взаимодействии с гидроксидом натрия превращается в его плюмбит:

Pb(CH 3 COO) 2 + 2NaOH  Pb(ONa) 2 + 2CH 3 COOH

В результате взаимодействия ионов серы и свинца образуется сульфид свинца черного или бурого цвета:

Na 2 S + Pb (ONa ) 2 + 2 H 2 O  PbS  (черный осадок) + 4 NaOH

Для определения серусодержащих аминокислот к исследуемому раствору добавляют равный объем гидроксида натрия и несколько капель раствора ацетата свинца. При интенсивном кипячении в течение 3-5 минут жидкость окрашивается в черный цвет.

Наличие цистина может быть определено с помощью этой реакции, так как цистин легко восстанавливается в цистеин.

Реакция Миллона:

Это реакция на аминокислоту тирозин.

Свободные фенольные гидроксилы молекул тирозина при взаимодействии с солями дают соединения ртутной соли нитропроизводного тирозина, окрашенной в розовато-красный цвет:

Реакция Паули на гистидин и тирозин . Реакция Паули позволяет обнаружить в белке аминокислоты гистидин и тирозин, которые образуют с диазобензолсульфоновой кислотой комплексные соединения вишнево-красного цвета. Диазобензолсульфоновая кислота образуется в реакции диазотирования при взаимодействии сульфаниловой кислоты с нитритом натрия в кислой среде:

К исследуемому раствору прибавляют равный объем кислого раствора сульфаниловой кислоты (приготовленного с использованием соляной кислоты) и двойной объем раствора нитрита натрия, тщательно перемешивают и сразу прибавляют соду (карбонат натрия). После перемешивания смесь окрашивается в вишнево-красный цвет при условии наличия гистидина или тирозина в исследуемом растворе.

Реакция Адамкевича-Гопкинса-Коля (Шульца - Распайля) на триптофан (реакция на индоловую группу). Триптофан реагирует в кислой среде с альдегидами, образуя окрашенные продукты конденсации. Реакция протекает за счет взаимодействия индольного кольца триптофана с альдегидом. Известно, что из глиоксиловой кислоты в присутствии серной кислоты образуется формальдегид:

Р
астворы, содержащие триптофан, в присутствии глиоксиловой и серной кислот дают красно-фиолетовое окрашивание.

Глиоксиловая кислота всегда присутствует в небольшом количестве в ледяной уксусной кислоте. Поэтому реакцию можно проводить, используя уксусную кислоту. При этом к исследуемому раствору добавляют равный объем ледяной (концентрированной) уксусной кислоты и осторожно нагревают до растворения осадка.После охлаждения к смеси осторожно по стенке (во избежание смешивания жидкостей) добавляют объем концентрированной серной кислоты, равный добавленному объему глиоксиловой кислоты. Через 5-10 минут на границе раздела двух слоев наблюдают образование красно-фиолетового кольца. Если перемешать слои, содержимое посуды равномерно окрасится в фиолетовый цвет.

К

онденсация триптофана с формальдегидом:

Продукт конденсации окисляется до бис-2-триптофанилкарбинола, который в присутствии минеральных кислот образует соли, окрашенные в сине-фиолетовый цвет:

7) Классификация белков. Способы исследования аминокислотного состава.

Строгой номенклатуры и классификации белков до сих пор не существует. Названия белков дают по случайным признакам, чаще всего принимая во внимание источник выделения белка или же учитывая рас­творимость его в тех или иных растворителях, форму молекулы и др.

Классификация белков проводится по составу, по форме частиц, по растворимости, по аминокислотному составу, по проис­хождению и т.д.

1. По составу белки делят на две большие груп­пы: простые и сложные белки.

К простым (протеинам) относят белки, дающие при гидролизе только аминокислоты (протеиноиды, протамины, гистоны, проламины, глутелины, глобулины, альбумины). В качестве примеров простых белков могут служить фиброин шелка, яичный сывороточный альбумин, пепсин и др.

К сложным (к протеидам) относят белки, составленные из про­стого белка и добавочной (простетической) группы небелковой природы. Группу сложных белков делят на несколько подгрупп в зависимости от характера небелкового компонента:

Металлопротеиды, содержащие в своем составе металлы (Fe, Си, Mg и др.), связанные непосредственно с полипептидной цепью;

Фосфопротеиды - содержат остатки фосфорной кислоты, которые сложноэфирными связями присоединены к молекуле белка по месту гидроксильных групп серина, треонина;

Гликопротеиды - их простетическими группами являются угле­воды;

Хромопротеиды - состоят из простого белка и связанного с ним окрашенного небелкового соединения, все хромопротеиды биологически очень активны; в качестве простетических групп в них могут быть произ­водные порфирина, изоаллоксазина и каротина;

Липопротеиды - простетическая группа липиды - триглицериды (жиры) и фосфатиды;

Нуклеопротеиды - белки, состоящие из простого белка и соеди­ненной с ним нуклеиновой кислоты. Эти белки играют колоссальную роль в жизнедеятельности организма и будут рассмотрены ниже. Они входят в состав любой клетки, некоторые нуклеопротеиды существуют в природе в виде особых частиц, обладающих патогенной активностью (вирусы).

2. По форме частиц - белки делят на фибриллярные (нитеподобные) и глобулярные (сферические) (см. стр 30).

3. По растворимости и особенностям аминокислотного состава выделяют следующие группы простых белков:

Протеиноиды - белки опорных тканей (костей, хрящей, связок, сухожилий, волос, ногтей, кожи и т.д.). Это в основном фибриллярные белки с большой молекулярной массой (> 150000 Да), нерастворимые в обычных растворителях: воде, солевых и водно-спиртовых смесях. Они растворяются только в специфических растворителях;

Протамины (простейшие белки) - белки, растворимые в воде и содержащие 80-90% аргинина и ограниченный набор (6-8) других амино­кислот, представлены в молоках различных рыб. Вследствие высокого содержания аргинина имеют основные свойства, их молекулярная масса сравнительно мала и примерно равна 4000-12000 Да. Они являются бел­ковым компонентом в составе нуклеопротеидов;

Гистоны - хорошо растворимы в воде и разбавленных растворах кислот (0,1Н), отличаются высоким содержанием аминокислот: аргинина, лизина и гистидина (не менее 30%) и поэтому обладают основными свойствами. Эти белки в значительных количествах содержатся в ядрах клеток в составе нуклеопротеидов и играют важную роль в регуляции обмена нуклеиновых кислот. Молекулярная масса гистонов невелика и равна 11000-24000 Да;

Глобулины - белки, нерастворимые в воде и солевых растворах с концентрацией соли более 7%. Глобулины полностью осаждаются при 50%-ном насыщении раствора сульфатом аммония. Эти белки отличают­ся высоким содержанием глицина (3,5%), их молекулярная масса > 100000 Да. Глобулины - слабокислые или нейтральные белки (р1=6-7,3);

Альбумины - белки, хорошо растворимые в воде и крепких со­левых растворах, причем концентрация соли (NH 4) 2 S0 4 не должна пре­вышать 50 % от насыщения. При более высокой концентрации альбуми­ны высаливаются. По сравнению с глобулинами эти белки содержат гли­цина в три раза меньше и имеют молекулярную массу, равную 40000-70000 Да. Альбумины имеют избыточный отрицательный заряд и кислые свойства (pl=4,7) из-за большого содержания глутаминовой кислоты;

Проламины - группа растительных белков, содержащаяся в клейковине злаковых растений. Они растворимы только в 60-80%-ном водном растворе этилового спирта. Проламины имеют характерный ами­нокислотный состав: в них много (20-50%) глутаминовой кислоты и пролина (10-15%), в связи с чем они и получили свое название. Их молеку­лярная масса более 100000 Да;

Глютелины - растительные белки нерастворимые в воде, рас­творах солей и этаноле, но растворимы в разбавленных (0,1Н) растворах щелочей и кислот. По аминокислотному составу и молекулярной массе сходны с проламинами, но аргинина содержат больше, а пролина мень­ше.

Способы исследования аминокислотного состава

Под действием ферментов пищеварительных соков белки расщепляются на аминокислоты. Были сделаны два важных вывода: 1) в состав белков входят аминокислоты; 2) методами гидролиза может быть изучен химический, в частности амнокислотный, состав белков.

Для изучения аминокислотного состава белков пользуются сочетанием кислотного (НСl), щелочного [Ва(ОН) 2 ] и, реже, ферментативного гидролиза или одним из них. Установлено, что при гидролизе чистого белка, не содержащего примесей, освобождаются 20 различных α-аминокислот. Все другие открытые в тканях животных, растений и микроорганизмов аминокислоты (более 300) существуют в природе в свободном состоянии либо в виде коротких пептидов или комплексов с другими органическими веществами.

Первый этап в определении первичной структуры белков заключается в качественной и количественной оценке аминокислотного состава данного индивидуального белка. Необходимо помнить, что для исследования нужно иметь определённое количество чистого белка, без примесей других белков или пептидов.

Кислотный гидролиз белка

Для определения аминокислотного состава необходимо провести разрушение всех пептидных связей в белке. Анализируемый белок гидролизуют в 6 мол/л НС1 при температуре около 110 °С в течение 24 ч. В результате такой обработки разрушаются пептидные связи в белке, а в гидролизате присутствуют только свободные аминокислоты. Кроме того, глутамин и аспарагин гидролизуются до глутаминовой и аспарагиновой кислот (т.е. разрывается амидная связь в радикале и от них отщепляется аминогруппа).

Разделение аминокислот с помощью ионообменной хроматографии

Смесь аминокислот, полученных кислотным гидролизом белков, разделяют в колонке с катионообменной смолой. Такая синтетическая смола содержит прочно связанные с ней отрицательно заряженные группы (например, остатки сульфоновой кислоты -SO 3 -), к которым присоединены ионы Na + (рис. 1-4).

В катионообменник вносят смесь аминокислот в кислой среде (рН 3,0), где аминокислоты в основном представляют катионы, т.е. несут положительный заряд. Положительно заряженные аминокислоты присоединяются к отрицательно заряженным частицам смолы. Чем больше суммарный заряд аминокислоты, тем прочнее её связь со смолой. Так, аминокислоты лизин, аргинин и гистидин наиболее прочно связываются с катионообменником, а аспарагиновая и глутаминовая кислоты - наиболее слабо.

Высвобождение аминокислот из колонки осуществляют вымыванием (элюированием) их буферным раствором с увеличивающейся ионной силой (т.е. с увеличением концентрации NaCl) и рН. При увеличении рН аминокислоты теряют протон, в результате уменьшается их положительный заряд, а следовательно и прочность связи с отрицательно заряженными частицами смолы.

Каждая аминокислота выходит из колонки при определённом значении рН и ионной силы. Собирая с нижнего конца колонки раствор (элюат) в виде небольших порций, можно получить фракции, содержащие отдельные аминокислоты.

(подробнее «гидролиз» см вопрос №10)

8) Химические связи в структуре белка.

9) Понятие об иерархии и структурной организации белков. (см. вопрос №12)

10) Гидролиз белка. Химизм реакции (ступенчатость, катализаторы, реагенты, условия протекания реакции) – полное описание гидролиза.

11) Химические превращения белков.

Денатурация и ренатурация

При нагревании растворов белков до 60-80% или при действии реагентов, разрушающих нековалентные связи в белках, происходит разрушение третичной (четвертичной) и вторичной структуры белковой молекулы, она принимает в большей или меньшей степени форму беспорядочного случайного клубка. Этот процесс называют денатурацией. В качестве денатурирующих реагентов могут быть кислоты, щелочи, спирты, фенолы, мочевина, гуанидинхлорид и др. Сущность их действия в том, что они образуют водородные связи с =NH и =СО - группами пептидного остова и с кислотными группами радикалов аминокислот, подменяя собственные внутримолекулярные водородные связи в белке вследствие чего вторичная и третичная структуры изменяются. При денатурации падает растворимость белка, он "свертывается" (например, при варке куриного яйца), утрачивается биологическая активность белка. На этом основано, например, применение водного раствора карболовой кислоты (фенола) в качестве антисептика. В определенных условиях при медленном охлаждении раствора денатурированного белка происходит ренатурация - восстановление исходной (нативной) конформации. Это подтверждает тот факт, что характер укладки пептидной цепи определяется первичной структурой.

Процесс денатурации отдельной белковой молекулы, приводящий к распаду её «жёсткой» трёхмерной структуры, иногда называют плавлением молекулы. Практически любое заметное изменение внешних условий, например, нагревание или существенное изменение pH приводит к последовательному нарушению четвертичной, третичной и вторичной структур белка. Обычно денатурация вызывается повышением температуры, действием сильных кислот и щелочей, солей тяжелых металлов, некоторых растворителей (спирт), радиации и др.

Денатурация часто приводит к тому, что в коллоидном растворе белковых молекул происходит процесс агрегации частиц белка в более крупные. Визуально это выглядит, например, как образование «белка» при жарке яиц.

Ренатурация - процесс, обратный денатурации, при котором белки возвращают свою природную структуру. Нужно отметить, что не все белки способны ренатурировать; у большинства белков денатурация необратима. Если при денатурации белка физико-химические изменения связаны с переходом полипептидной цепи из плотно упакованного (упорядоченного) состояния в беспорядочное, то при ренатурации проявляется способность белков к самоорганизации, путь которой предопределён последовательностью аминокислот в полипептидной цепи, то есть её первичной структурой, детерминированной наследственной информацией. В живых клетках данная информация, вероятно, является решающей для преобразования неупорядоченной полипептидной цепи во время или после её биосинтеза на рибосоме в структуру нативной молекулы белка. При нагревании двухцепочечных молекул ДНК до температуры около 100°C водородные связи между основаниями разрываются, и комплементарные цепи расходятся - ДНК денатурирует. Однако при медленном охлаждении комплементарные цепи могут вновь соединяться в регулярную двойную спираль. Эта способность ДНК к ренатурации используется для получения искусственных гибридных молекул ДНК.

Природные белковые тела наделены определенной, строго заданной пространственной конфигурацией и обладают рядом характерных физико-химических и биологических свойств при физиологических значениях температуры и рН среды. Под влиянием различных физических и химических факторов белки подвергаются свертыванию и выпадают в осадок, теряя нативные свойства. Таким образом, под денатурацией следует понимать нарушение общего плана уникальной структуры нативной молекулы белка, преимущественно ее третичной структуры, приводящее к потере характерных для нее свойств (растворимость, электрофоретическая подвижность, биологическая активность и т.д.). Большинство белков денатурирует при нагревании их растворов выше 50–60°С.

Внешние проявления денатурации сводятся к потере растворимости, особенно в изоэлектрической точке, повышению вязкости белковых растворов, увеличению количества свободных функциональных SH-групп и изменению характера рассеивания рентгеновских лучей. Наиболее характерным признаком денатурации является резкое снижение или полная потеря белком его биологической активности (каталитической, антигенной или гормональной). При денатурации белка, вызванной 8М мочевиной или другим агентом, разрушаются в основном нековалентные связи (в частности, гидрофобные взаимодействия и водородные связи). Дисульфидные связи в присутствии восстанавливающего агента меркаптоэтанола разрываются, в то время как пептидные связи самого остова полипептидной цепи не затрагиваются. В этих условиях развертываются глобулы нативных белковых молекул и образуются случайные и беспорядочные структуры (рис.)

Денатурация белковой молекулы (схема).

а - исходное состояние; б - начинающееся обратимое нарушение молекулярной структуры; в - необратимое развертывание полипептидной цепи.

Денатурация и ренатурация рибонуклеазы (по Анфинсену).

а - развертывание (мочевина + меркаптоэтанол); б - повторное свертывание.

1. Гидролиз белков: H+

[− NH2─CH─ CO─NH─CH─CO − ]n +2nH2O → n NH2 − CH − COOH + n NH2 ─ CH ─ COOH

│ │ ‌‌│ │

Аминокислота 1 аминокислота 2

2. Осаждение белков:

а) обратимое

Белок в растворе ↔ осадок белка. Происходит под действием растворов солей Na+, K+

б) необратимое (денатурация)

При денатурации под действием внешних факторов (температура; механическое воздействие – давление, растирание, встряхивание, ультразвук; действия химических агентов – кислот, щелочей и др.) происходит изменение вторичной, третичной и четвертичной структур белковой макромолекулы, т.е её нативной пространственной структуры. Первичная структура, а, следовательно, и химический состав белка не меняются.

При денатурации изменяются физические свойства белков: снижается растворимость, теряется биологическая активность. В тоже время увеличивается активность некоторых химических групп, облегчается воздействие на белки протеолитических ферментов, а, следовательно, он легче гидролизуется.

Например, альбумин - яичный белок - при температуре 60-70° осаждается из раствора (свертывается), теряя способность растворяться в воде.

Схема процесса денатурации белка (разрушение третичной и вторичной структур белковых молекул)

3. Горение белков

Белки горят с образованием азота, углекислого газа, воды, а также некоторых других веществ. Горение сопровождается характерным запахом жженых перьев

4. Цветные (качественные) реакции на белки:

а) ксантопротеиновая реакция (на остатки аминокислот, содержащих бензольные кольца):

Белок + HNO3 (конц.) → желтое окрашивание

б) биуретовая реакция (на пептидные связи):

Белок + CuSO4 (насыщ) + NaOH (конц) → ярко-фиолетовое окрашивание

в) цистеиновая реакция (на остатки аминокислот, содержащих серу):

Белок + NaOH + Pb(CH3COO)2 → Черное окрашивание

Белки являются основой всего живого на Земле и выполняют в организмах многообразные функции.

Высаливание белков

Высаливанием называется процесс выделения белков из водных растворов нейтральными растворами концентрированных солей щелочных и щелочноземельных металлов. При добавлении больших концентраций солей к раствору белка происходит дегидратация белковых частиц и снятие заряда, при этом белки выпадают в осадок. Степень выпадения белков в осадок зависит от ионной силы раствора осадителя, размера частиц белковой молекулы, величины ее заряда, гидрофильности. Разные белки осаждаются при различных концентрациях солей. Поэтому в осадках, полученных путем постепенного повышения концентрации солей, отдельные белки находятся в различных фракциях. Высаливание белков является обратимым процессом, и после удаления соли белок вновь приобретает природные свойства. Поэтому высаливанием пользуются в клинической практике при разделении белков сыворотки крови, а также при изолировании, очистке различных белков.

Добавляемые анионы и катионы разрушают гидратную белковую оболочку белков, являющуюся одним из факторов устойчивости белковых растворов. Чаще всего применяются растворы сульфатов Na и аммония. Многие белки отличаются по размеру гидратной оболочки и величине заряда. Для каждого белка есть своя зона высаливания. После удаления высаливающего агента белок сохраняет свою биологическую активность и физико-химические свойства. В клинической практике применяется метод высаливания для разделения глобулинов (при добавлении 50% раствора сульфата аммония (NH4)2SO4 выпадает осадок) и альбуминов (при добавлении 100% раствора сульфата аммония (NH4)2SO4 выпадает осадок).

На величину высаливания оказывают влияние:

1) природа и концентрация соли;

2) рН-среды;

3) температура.

Главную роль при этом играют валентности ионов.

12) Особенности организации первичной, вторичной, третичной структуры белка.

В настоящее время экспериментально доказано существование четырёх уровней структурной организации белковой молекулы: первич­ной, вторичной, третичной и четвертичной структуры.

§ 9. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕЛКОВ

Белки – это очень крупные молекулы, по своим размерам они могут уступать только отдельным представителям нуклеиновых кислот и полисахаридам. В таблице 4 представлены молекулярные характеристики некоторые белков.

Таблица 4

Молекулярные характеристики некоторых белков

	Относитель-ная молекулярная масса	Число цепей	Число аминокислотных остатков
Рибонуклеаза
Миоглобин
Химотрипсин
Гемоглобин
Глутамат-дегидрогеназа

В молекулах белков может содержаться самое разное количество аминокислотных остатков - от 50 и до нескольких тысяч; относительные молекулярные массы белков также сильно колеблются - от нескольких тысяч (инсулин, рибонуклеаза) до миллиона (глутаматдегидрогеназа) и более. Число полипептидных цепей в составе белков может составлять от единицы до нескольких десятков и даже тысяч. Так, в состав белка вируса табачной мозаики входит 2120 протомеров.

Зная относительную молекулярную массу белка, можно приблизительно оценить, какое число аминокислотных остатков входит в его состав. Средняя относительная молекулярная масса аминокислот, образующих полипептидную цепь, равна 128. При образовании пептидной связи происходит отщепление молекулы воды, следовательно, средняя относительная масса аминокислотного остатка составит 128 – 18 = 110. Используя эти данные, можно подсчитать, что белок с относительной молекулярной массой 100000 будет состоять приблизительно из 909 аминокислотных остатков.

Электрические свойства белковых молекул

Электрические свойства белков определяются присутствием на их поверхности положительно и отрицательно заряженных аминокислотных остатков. Наличие заряженных группировок белка определяет суммарный заряд белковой молекулы. Если в белках преобладают отрицательно заряженные аминокислоты, то его молекула в нейтральном растворе будет иметь отрицательный заряд, если преобладают положительно заряженные – молекула будет иметь положительный заряд. Суммарный заряд белковой молекулы зависит и от кислотности (рН) среды. При увеличении концентрации ионов водорода (увеличении кислотности) происходит подавление диссоциации карбоксильных групп:

и в то же время увеличивается число протонированных амино-групп;

Таким образом, при увеличении кислотности среды происходит уменьшение на поверхности молекулы белка числа отрицательно заряженных и увеличение числа положительно заряженных групп. Совсем другая картина наблюдается при снижении концентрации ионов водорода и увеличении концентрации гидроксид-ионов. Число диссоциированных карбоксильных групп возрастает

и снижается число протонированных аминогрупп

Итак, изменяя кислотность среды, можно изменить и заряд молекулы белка. При увеличении кислотности среды в молекуле белка снижается число отрицательно заряженных группировок и увеличивается число положительно заряженных, молекула постепенно теряет отрицательный и приобретает положительный заряд. При снижении кислотности раствора наблюдается противоположная картина. Очевидно, что при определенных значениях рН молекула будет электронейтральной, т.е. число положительно заряженных групп будет равно числу отрицательно заряженных групп, и суммарный заряд молекулы будет равен нулю (рис. 14).

Значение рН, при котором суммарный заряд белка равен нулю, называется изоэлектрической точкой и обозначается pI .

Рис. 14. В состоянии изоэлектрической точки суммарный заряд молекулы белка равен нулю

Изоэлектрическая точка для большинства белков находится в области рН от 4,5 до 6,5. Однако есть и исключения. Ниже приведены изоэлектрические точки некоторых белков:

При значениях рН ниже изоэлектрической точки белок несет суммарный положительный заряд, выше – суммарный отрицательный.

В изоэлектрической точке растворимость белка минимальна, так как его молекулы в таком состоянии электронейтральны и между ними нет сил взаимного отталкивания, поэтому они могут «слипаться» за счет водородных и ионных связей, гидрофобных взаимодействий, ван-дер-ваальсовых сил. При значениях рН, отличающихся от рI, молекулы белка будут нести одинаковый заряд - либо положительный, либо отрицательный. В результате этого между молекулами будут существовать силы электростатического отталкивания, препятствующие их «слипанию», растворимость будет выше.

Растворимость белков

Белки бывают растворимые и нерастворимые в воде. Растворимость белков зависит от их структуры, величины рН, солевого состава раствора, температуры и других факторов и определяется природой тех групп, которые находятся на поверхности белковой молекулы. К нерастворимым белкам относятся кератин (волосы, ногти, перья), коллаген (сухожилия), фиброин (щелк, паутина). Многие другие белки растворимы в воде. Растворимость определяется наличием на их поверхности заряженных и полярных группировок (-СОО - , -NH 3 + , -OH и др.). Заряженные и полярные группировки белков притягивают к себе молекулы воды, и вокруг них формируется гидратная оболочка (рис. 15), существование которой обусловливает их растворимость в воде.

Рис. 15. Образование гидратной оболочки вокруг молекулы белка.

На растворимость белка влияет наличие нейтральных солей (Na 2 SO 4 , (NH 4) 2 SO 4 и др.) в растворе. При малых концентрациях солей растворимость белка увеличивается (рис. 16), так как в таких условиях увеличивается степень диссоциации полярных групп и экранируются заряженные группы белковых молекул, тем самым снижается белок-белковое взаимодействие, способствующее образованию агрегатов и выпадению белка в осадок. При высоких концентрациях солей растворимость белка снижается (рис. 16) вследствие разрушения гидратной оболочки, приводящего к агрегации молекул белка.

Рис. 16. Зависимость растворимости белка от концентрации соли

Существуют белки, которые растворяются только в растворах солей и не растворяются в чистой воде, такие белки называют глобулины . Существуют и другие белки – альбумины , они в отличие от глобулинов хорошо растворимы в чистой воде.
Растворимость белков зависит и от рН растворов. Как мы уже отмечали, минимальной растворимостью обладают белки в изоэлектрической точке, что объясняется отсутствием электростатического отталкивания между молекулами белка.
При определенных условиях белки могут образовывать гели. При образовании геля молекулы белка формируют густую сеть, внутреннее пространство которой заполнено растворителем. Гели образуют, например, желатина (этот белок используют для приготовления желе) и белки молока при приготовлении простокваши.
На растворимость белка оказывает влияние и температура. При действии высокой температуры многие белки выпадают в осадок вследствие нарушения их структуры, но об этом более подробно поговорим в следующем разделе.

Денатурация белка

Рассмотрим хорошо нам знакомое явление. При нагревании яичного белка происходит постепенное его помутнение, и затем образуется твердый сгусток. Свернувшийся яичный белок – яичный альбумин – после охлаждения оказывается нерастворимым, в то время как до нагревания яичный белок хорошо растворялся в воде. Такие же явления происходят и при нагревании практически всех глобулярных белков. Те изменения, которые произошли при нагревании, называются денатурацией . Белки в естественном состоянии носят название нативных белков, а после денатурации - денатурированных .
При денатурации происходит нарушение нативной кон-формации белков в результате разрыва слабых связей (ион-ных, водородных, гидрофобных взаимодействий). В результате этого процесса могут разрушаться четвертичная, третичная и вторичные структуры белка. Первичная структура при этом сохраняется (рис. 17).

Рис. 17. Денатурация белка

При денатурации гидрофобные радикалы аминокислот, находящиеся в нативных белках в глубине молекулы, оказываются на поверхности, в результате создаются условия для агрегации. Агрегаты белковых молекул выпадают в осадок. Денатурация сопровождается потерей биологической функции белка.

Денатурация белка может быть вызвана не только повышенной температурой, но и другими факторами. Кислоты и щелочи способны вызвать денатурацию белка: в результате их действия происходит перезарядка ионогенных групп, что приводит к разрыву ионных и водородных связей. Мочевина разрушает водородные связи, следствием этого является потеря белками своей нативной структуры. Денатурирующими агентами являются органические растворители и ионы тяжелых металлов: органические растворители разрушают гидрофобные связи, а ионы тяжелых металлов образуют нерастворимые комплексы с белками.

Наряду с денатурацией существует и обратный процесс – ренатурация. При снятии денатурирующего фактора возможно восстановление исходной нативной структуры. Например, при медленном охлаждении до комнатной температуры раствора восстанавливается нативная структура и биологическая функция трипсина.

Белки могут денатурировать и в клетке при протекании нормальных процессов жизнедеятельности. Совершенно очевидно, что утрата нативной структуры и функции белков – крайне нежелательное событие. В связи с этим следует упомянуть об особых белках – шаперонах . Эти белки способны узнавать частично денатурированные белки и, связываясь с ними, восстанавливать их нативную конформацию. Шапероны также узнают белки, процесс денатурации которых зашел далеко, и транспортируют их в лизосомы, где происходит их расщепление (деградация). Шапероны играют важную роль и в процессе формирования третичной и четвертичной структур во время синтеза белка.

Интересно знать! В настоящее время часто упоминается такое заболевание, как коровье бешенство. Эту болезнь вызывают прионы. Они могут вызывать у животных и человека и другие заболевания, носящие нейродегенеративный характер. Прионы – это инфекционные агенты белковой природы. Прион, попадая в клетку, вызывает изменение конформации своего клеточного аналога, который сам становится прионом. Так возникает заболевание. Прионный белок отличается от клеточного по вторичной структуре. Прионная форма белка имеет в основном b -складчатую структуру, а клеточная – a -спиральную.

Содержание статьи

БЕЛКИ (статья 1) – класс биологических полимеров, присутствующих в каждом живом организме. С участием белков проходят основные процессы, обеспечивающие жизнедеятельность организма: дыхание, пищеварение, мышечное сокращение, передача нервных импульсов. Костная ткань, кожный, волосяной покров, роговые образования живых существ состоят из белков. Для большинства млекопитающих рост и развитие организма происходит за счет продуктов, содержащих белки в качестве пищевого компонента. Роль белков в организме и, соответственно, их строение весьма разнообразно.

Состав белков.

Все белки представляют собой полимеры, цепи которых собраны из фрагментов аминокислот. Аминокислоты – это органические соединения, содержащие в своем составе (в соответствии с названием) аминогруппу NH 2 и органическую кислотную, т.е. карбоксильную, группу СООН. Из всего многообразия существующих аминокислот (теоретически количество возможных аминокислот неограниченно) в образовании белков участвуют только такие, у которых между аминогруппой и карбоксильной группой – всего один углеродный атом. В общем виде аминокислоты, участвующие в образовании белков, могут быть представлены формулой: H 2 N–CH(R)–COOH. Группа R, присоединенная к атому углерода (тому, который находится между амино- и карбоксильной группой), определяет различие между аминокислотами, образующими белки. Эта группа может состоять только из атомов углерода и водорода, но чаще содержит помимо С и Н различные функциональные (способные к дальнейшим превращениям) группы, например, HO-, H 2 N- и др. Существует также вариант, когда R = Н.

В организмах живых существ содержится более 100 различных аминокислот, однако, в строительстве белков используются не все, а только 20, так называемых «фундаментальных». В табл. 1 приведены их названия (большинство названий сложилось исторически), структурная формула, а также широко применяемое сокращенное обозначение. Все структурные формулы расположены в таблице таким образом, чтобы основной фрагмент аминокислоты находился справа.

Таблица 1. АМИНОКИСЛОТЫ, УЧАСТВУЮЩИЕ В СОЗДАНИИ БЕЛКОВ

Название	Структура	Обозначение
ГЛИЦИН		ГЛИ
АЛАНИН		АЛА
ВАЛИН		ВАЛ
ЛЕЙЦИН		ЛЕЙ
ИЗОЛЕЙЦИН		ИЛЕ
СЕРИН		СЕР
ТРЕОНИН		ТРЕ
ЦИСТЕИН		ЦИС
МЕТИОНИН		МЕТ
ЛИЗИН		ЛИЗ
АРГИНИН		АРГ
АСПАРАГИНОВАЯ КИСЛОТА		АСН
АСПАРАГИН		АСН
ГЛУТАМИНОВАЯ КИСЛОТА		ГЛУ
ГЛУТАМИН		ГЛН
ФЕНИЛАЛАНИН		ФЕН
ТИРОЗИН		ТИР
ТРИПТОФАН		ТРИ
ГИСТИДИН		ГИС
ПРОЛИН		ПРО
В международной практике принято сокращенное обозначение перечисленных аминокислот с помощью латинских трехбуквенных или однобуквенных сокращений, например, глицин – Gly или G, аланин – Ala или A.

Среди этих двадцати аминокислот (табл. 1) только пролин содержит рядом с карбоксильной группой СООН группу NH (вместо NH 2), так как она входит в состав циклического фрагмента.

Восемь аминокислот (валин, лейцин, изолейцин, треонин, метионин, лизин, фенилаланин и триптофан), помещенные в таблице на сером фоне, называют незаменимыми, поскольку организм для нормального роста и развития должен постоянно получать их с белковой пищей.

Белковая молекула образуется в результате последовательного соединения аминокислот, при этом карбоксильная группа одной кислоты взаимодействует с аминогруппой соседней молекулы, в результате образуется пептидная связь –CO–NH– и выделяется молекула воды. На рис. 1 показано последовательное соединение аланина, валина и глицина.

Рис. 1 ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ АМИНОКИСЛОТ при образовании белковой молекулы. В качестве основного направления полимерной цепи выбран путь от концевой аминогруппы H 2 N к концевой карбоксильной группе COOH.

Чтобы компактно описать строение белковой молекулы, используют сокращенные обозначения аминокислот (табл. 1, третий столбец), участвующих в образовании полимерной цепи. Фрагмент молекулы, показанный на рис. 1, записывают следующим образом: H 2 N-АЛА-ВАЛ-ГЛИ-COOH.

Белковые молекулы содержат от 50 до 1500 аминокислотных остатков (более короткие цепи называют полипептидами). Индивидуальность белка определяется набором аминокислот, из которых составлена полимерная цепь и, что не менее важно, порядком их чередования вдоль цепи. Например, молекула инсулина состоит из 51 аминокислотного остатка (это один из самых короткоцепных белков) и представляет собой две соединенных между собой параллельных цепи неодинаковой длины. Порядок чередования аминокислотных фрагментов показан на рис. 2.

Рис. 2 МОЛЕКУЛА ИНСУЛИНА , построенная из 51 аминокислотного остатка, фрагменты одинаковых аминокислот отмечены соответствующей окраской фона. Содержащиеся в цепи остатки аминокислоты цистеина (сокращенное обозначение ЦИС) образуют дисульфидные мостики –S-S-, которые связывают две полимерных молекулы, либо образуют перемычки внутри одной цепи.

Молекулы аминокислоты цистеина (табл. 1) содержат реакционно-способные сульфгидридные группы –SH, которые взаимодействуют между собой, образуя дисульфидные мостики –S-S-. Роль цистеина в мире белков особая, с его участием образуются поперечные сшивки между полимерными белковыми молекулами.

Объединение аминокислот в полимерную цепь происходит в живом организме под управлением нуклеиновых кислот, именно они обеспечивают строгий порядок сборки и регулируют фиксированную длину полимерной молекулы (см . НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ).

Структура белков.

Состав белковой молекулы, представленный в виде чередующихся остатков аминокислот (рис. 2), называют первичной структурой белка. Между присутствующими в полимерной цепи имино-группами HN и карбонильными группами CO возникают водородные связи (см . ВОДОРОДНАЯ СВЯЗЬ), в результате молекула белка приобретает определенную пространственную форму, называемую вторичной структурой. Наиболее распространены два типа вторичной структуры белков.

Первый вариант, называемый α-спиралью, реализуется с помощью водородных связей внутри одной полимерной молекулы. Геометрические параметры молекулы, определяемые длинами связей и валентными углами, таковы, что образование водородных связей оказывается возможным для групп H-N и C=O, между которыми находятся два пептидных фрагмента H-N-C=O (рис. 3).

Состав полипептидной цепи, показанной на рис. 3, записывают в сокращенном виде следующим образом:

H 2 N-АЛА ВАЛ-АЛА-ЛЕЙ-АЛА-АЛА-АЛА-АЛА-ВАЛ-АЛА-АЛА-АЛА-COOH.

В результате стягивающего действия водородных связей молекула приобретает форму спирали – так называемая α-спираль, ее изображают в виде изогнутой спиралевидной ленты, проходящей через атомы, образующие полимерную цепь (рис. 4)

Рис. 4 ОБЪЕМНАЯ МОДЕЛЬ МОЛЕКУЛЫ БЕЛКА в форме α-спирали. Водородные связи показаны зелеными пунктирными линиями. Цилиндрическая форма спирали видна при определенном угле поворота (атомы водорода на рисунке не показаны). Окраска отдельных атомов дана в соответствии с международными правилами, которые рекомендуют для атомов углерода черный цвет, для азота – синий, для кислорода – красный, для серы – желтый цвет (для не показанных на рисунке атомов водорода рекомендован белый цвет, в этом случае всю структуру изображают на темном фоне).

Другой вариант вторичной структуры, называемый β-структурой, образуется также при участии водородных связей, отличие состоит в том, что взаимодействуют группы H-N и C=O двух или более полимерных цепей, расположенных параллельно. Поскольку полипептидная цепь имеет направление (рис. 1), возможны варианты, когда направление цепей совпадает (параллельная β-структура, рис. 5), либо они противоположны (антипараллельная β-структура, рис. 6).

В образовании β-структуры могут участвовать полимерные цепи различного состава, при этом органические группы, обрамляющие полимерную цепь (Ph, CH 2 ОН и др.), в большинстве случаев играют второстепенную роль, решающее значение имеет взаиморасположение групп H-N и C=O. Поскольку относительно полимерной цепи H-N и C=O группы направлены в различные стороны (на рисунке – вверх и вниз), становится возможным одновременное взаимодействие трех и более цепей.

Состав первой полипептидной цепи на рис. 5:

H 2 N-ЛЕЙ-АЛА-ФЕН-ГЛИ-АЛА-АЛА-COOH

Состав второй и третей цепи:

H 2 N-ГЛИ-АЛА-СЕР-ГЛИ-ТРЕ-АЛА-COOH

Состав полипептидных цепей, показанных на рис. 6, тот же, что и на рис. 5, отличие в том, что вторая цепь имеет противоположное (в сравнении с рис. 5) направление.

Возможно образование β-структуры внутри одной молекулы, когда фрагмент цепи на определенном участке оказывается повернутым на 180°, в этом случае две ветви одной молекулы имеют противоположное направление, в результате образуется антипараллельная β-структура (рис. 7).

Структура, показанная на рис. 7 в плоском изображении, представлена на рис. 8 в виде объемной модели. Участки β-структуры принято упрощенно обозначать плоской волнистой лентой, которая проходит через атомы, образующие полимерную цепь.

В структуре многих белков чередуются участки α-спирали и лентообразные β-структуры, а также одиночные полипептидные цепи. Их взаиморасположение и чередование в полимерной цепи называют третичной структурой белка.

Способы изображения структуры белков показаны далее на примере растительного белка крамбина. Структурные формулы белков, содержащих часто до сотни аминокислотных фрагментов, сложны, громоздки и трудны для восприятия, поэтому иногда используют упрощенные структурные формулы – без символов химических элементов (рис. 9, вариант А), но при этом сохраняют окраску валентных штрихов в соответствии с международными правилами (рис. 4). Формулу при этом представляют не в плоском, а в пространственном изображении, что соответствует реальной структуре молекулы. Такой способ позволяет, например, различить дисульфидные мостики (подобные тем, которые есть в инсулине, рис. 2), фенильные группы в боковом обрамлении цепи и др. Изображение молекул в виде объемных моделей (шарики, соединенные стержнями) несколько более наглядно (рис. 9, вариант Б). Однако оба способа не позволяют показать третичную структуру, поэтому американский биофизик Джейн Ричардсон предложил изображать α-структуры в виде спирально закрученных лент (см. рис. 4), β-структуры – в виде плоских волнистых лент (рис. 8), а соединяющие их одиночные цепи – в форме тонких жгутов, каждый тип структуры имеет свою окраску. Сейчас широко применяют такой способ изображения третичной структуры белка (рис. 9, вариант В). Иногда для большей информативности показывают совместно третичную структуру и упрощенную структурную формулу (рис. 9, вариант Г). Есть и модификации способа, предложенного Ричардсоном: α-спирали изображают в виде цилиндров, а β-структуры – в форме плоских стрелок, указывающих и направление цепи (рис. 9, вариант Д). Менее распространен способ, при котором всю молекулу изображают в виде жгута, где неодинаковые структуры выделяют различающейся окраской, а дисульфидные мостики показывают в виде желтых перемычек (рис. 9, вариант Д).

Наиболее удобен для восприятия вариант В, когда при изображении третичной структуры особенности строения белка (аминокислотные фрагменты, порядок их чередования, водородные связи) не указывают, при этом исходят из того, что все белки содержат «детали», взятые из стандартного набора двадцати аминокислот (табл. 1). Основная задача при изображении третичной структуры – показать пространственное расположение и чередование вторичных структур.

Рис. 9 РАЗЛИЧНЫЕ ВАРИАНТЫ ИЗОБРАЖЕНИЯ СТРУКТУРЫ БЕЛКА КРАМБИНА .
А– структурная формула в пространственном изображении.
Б – структура в виде объемной модели.
В – третичная структура молекулы.
Г – сочетание вариантов А и В.
Д – упрощенное изображение третичной структуры.
Е – третичная структура с дисульфидными мостиками.

Наиболее удобна для восприятия объемная третичная структура (вариант В), освобожденная от деталей структурной формулы.

Белковая молекула, обладающая третичной структурой, как правило, принимает определенную конфигурацию, которую формируют полярные (электростатические) взаимодействия и водородные связи. В результате молекула приобретает форму компактного клубка – глобулярные белки (globules, лат . шарик), либо нитевидную – фибриллярные белки (fibra, лат . волокно).

Пример глобулярной структуры – белок альбумин, к классу альбуминов относят белок куриного яйца. Полимерная цепь альбумина собрана, основном, из аланина, аспаргиновой кислоты, глицина, и цистеина, чередующихся в определенном порядке. Третичная структура содержит α-спирали, соединенные одиночными цепями (рис. 10).

Рис. 10 ГЛОБУЛЯРНАЯ СТРУКТУРА АЛЬБУМИНА

Пример фибриллярной структуры – белок фиброин. Он содержат большое количество остатков глицина, аланина и серина (каждый второй аминокислотный остаток – глицин); остатки цистеина, содержащего сульфгидридные группы, отсутствуют. Фиброин – основной компонент натурального шелка и паутины, содержит β-структуры, соединенные одиночными цепями (рис. 11).

Рис. 11 ФИБРИЛЛЯРНЫЙ БЕЛОК ФИБРОИН

Возможность образования третичной структуры определенного типа заложена в первичной структуре белка, т.е. определена заранее порядком чередования аминокислотных остатков. Из определенных наборов таких остатков преимущественно возникают α-спирали (подобных наборов существует достаточно много), другой набор приводит к появлению β-структур, одиночные цепи характеризуются своим составом.

Некоторые белковые молекулы, сохраняя третичную структуру, способны объединяться в крупные надмолекулярные агрегаты, при этом их удерживают вместе полярные взаимодействия, а также водородные связи. Такие образования называют четвертичной структурой белка. Например, белок ферритин, состоящий в основной массе из лейцина, глутаминовой кислоты, аспарагиновой кислоты и гиститдина (в феррицине есть в различном количестве все 20 аминокислотных остатков) образует третичную структуру из четырех параллельно уложенных α-спиралей. При объединении молекул в единый ансамбль (рис. 12) образуется четвертичная структура, в которую может входить до 24 молекул ферритина.

Рис.12 ОБРАЗОВАНИЕ ЧЕТВЕРТИЧНОЙ СТРУКТУРЫ ГЛОБУЛЯРНОГО БЕЛКА ФЕРРИТИНА

Другой пример надмолекулярных образований – структура коллагена. Это фибриллярный белок, цепи которого построены в основном из глицина, чередующегося с пролином и лизином. Структура содержит одиночные цепи, тройные α-спирали, чередующиеся с лентообразными β-структурами, уложенными в виде параллельных пучков (рис. 13).

Рис.13 НАДМОЛЕКУЛЯРНАЯ СТРУКТУРА ФИБРИЛЛЯРНОГО БЕЛКА КОЛЛАГЕНА

Химические свойства белков.

При действии органических растворителей, продуктов жизнедеятельности некоторых бактерий (молочнокислое брожение) или при повышении температуры происходит разрушение вторичных и третичных структур без повреждения его первичной структуры, в результате белок теряет растворимость и утрачивает биологическую активность, этот процесс называют денатурацией, то есть потерей натуральных свойств, например, створаживание кислого молока, свернувшийся белок вареного куриного яйца. При повышенной температуре белки живых организмов (в частности, микроорганизмов) быстро денатурируют. Такие белки не способны участвовать в биологических процессах, в результате микроорганизмы погибают, поэтому кипяченое (или пастеризованное) молоко может дольше сохраняться.

Пептидные связи H-N-C=O, образующие полимерную цепь белковой молекулы, в присутствии кислот или щелочей гидролизуются, при этом происходит разрыв полимерной цепи, что, в конечном итоге, может привести к исходным аминокислотам. Пептидные связи, входящие в состав α-спиралей или β-структур, более устойчивы к гидролизу и различным химическим воздействиям (по сравнению с теми же связями в одиночных цепях). Более деликатную разборку белковой молекулы на составляющие аминокислоты проводят в безводной среде с помощью гидразина H 2 N–NH 2 , при этом все аминокислотные фрагменты, кроме последнего, образуют так называемые гидразиды карбоновых кислот, содержащие фрагмент C(O)–HN–NH 2 (рис. 14).

Рис. 14. РАСЩЕПЛЕНИЕ ПОЛИПЕПТИДА

Подобный анализ может дать информацию об аминокислотном составе того или иного белка, однако важнее знать их последовательность в белковой молекуле. Одна из широко применяемых для этой цели методик – действие на полипептидную цепь фенилизотиоцианата (ФИТЦ), который в щелочной среде присоединяется к полипептиду (с того конца, который содержит аминогруппу), а при изменении реакции среды на кислую, отсоединяется от цепи, унося с собой фрагмент одной аминокислоты (рис. 15).

Рис. 15 ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ РАСЩЕПЛЕНИЕ ПОЛИПЕПТИДА

Разработано много специальных методик для подобного анализа, в том числе и такие, которые начинают «разбирать» белковую молекулу на составляющие компоненты, начиная с карбоксильного конца.

Поперечные дисульфидные мостики S-S (образовавшиеся при взаимодействии остатков цистеина, рис. 2 и 9) расщепляют, превращая их в HS-группы действием различных восстановителей. Действие окислителей (кислорода или перекиси водорода) приводит вновь к образованию дисульфидных мостиков (рис. 16).

Рис. 16. РАСЩЕПЛЕНИЕ ДИСУЛЬФИДНЫХ МОСТИКОВ

Для создания дополнительных поперечных сшивок в белках используют реакционную способность амино- и карбоксильных групп. Более доступны для различных взаимодействий аминогруппы, которые находятся в боковом обрамлении цепи – фрагменты лизина, аспарагина, лизина, пролина (табл. 1). При взаимодействии таких аминогрупп с формальдегидом идет процесс конденсации и возникают поперечные мостики –NH–CH2–NH– (рис. 17).

Рис. 17 СОЗДАНИЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ПОПЕРЕЧНЫХ МОСТИКОВ МЕЖДУ МОЛЕКУЛАМИ БЕЛКА .

Концевые карбоксильные группы белка способны реагировать с комплексными соединениями некоторых поливалентных металлов (чаще применяют соединения хрома), при этом также возникают поперечные сшивки. Оба процесса используются при дублении кожи.

Роль белков в организме.

Роль белков в организме разнообразна.

Ферменты (fermentatio лат . – брожение), другое их название – энзимы (en zumh греч . – в дрожжах) – это белки, обладающие каталитической активностью, они способны увеличивать скорости биохимических процессов в тысячи раз. Под действием ферментов составные компоненты пищи: белки, жиры и углеводы – расщепляются до более простых соединений, из которых затем синтезируются новые макромолекулы, необходимые организму определенного типа. Ферменты принимают участие и во многих биохимических процессах синтеза, например, в синтезе белков (одни белки помогают синтезировать другие). См . ФЕРМЕНТЫ

Ферменты не только высокоэффективные катализаторы, но и селективные (направляют реакцию строго в заданном направлении). В их присутствии реакция проходит практически со 100%-ным выходом без образования побочных продуктов и при этом условия протекания – мягкие: обычное атмосферное давление и температура живого организма. Для сравнения, синтез аммиака из водорода и азота в присутствии катализатора – активированного железа – проводят при 400–500° С и давлении 30 МПа, выход аммиака 15–25% за один цикл. Ферменты считаются непревзойденными катализаторами.

Интенсивное исследование ферментов началось в середине 19 в., сейчас изучено более 2000 различных ферментов, это самый многообразный класс белков.

Названия ферментов составляют следующим образом: к наименованию реагента, с которым взаимодействует фермент, или к названию катализируемой реакции добавляют окончание -аза, например, аргиназа разлагает аргинин (табл. 1), декарбоксилаза катализирует декарбоксилирование, т.е. отщепление СО 2 от карбоксильной группы:

– СООН → – СН + СО 2

Часто, для более точного обозначения роли фермента в его названии указывают и объект, и тип реакции, например, алкогольдегидрогеназа – фермент, осуществляющий дегидрирование спиртов.

Для некоторых ферментов, открытых достаточно давно, сохранилось историческое название (без окончания –аза), например, пепсин (pepsis, греч . пищеварение) и трипсин (thrypsis греч . разжижение), эти ферменты расщепляют белки.

Для систематизации ферменты объединяют в крупные классы, в основу классификации положен тип реакции, классы именуют по общему принципу – название реакции и окончание – аза. Далее перечислены некоторые из таких классов.

Оксидоредуктазы – ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции. Входящие в этот класс дегидрогеназы осуществляют перенос протона, например алкогольдегидрогеназа (АДГ) окисляет спирты до альдегидов, последующее окисление альдегидов до карбоновых кислот катализируют альдегиддегидрогеназы (АЛДГ). Оба процесса происходят в организме при переработке этанола в уксусную кислоту (рис. 18).

Рис. 18 ДВУХСТАДИЙНОЕ ОКИСЛЕНИЕ ЭТАНОЛА до уксусной кислоты

Наркотическим действием обладает не этанол, а промежуточный продукт ацетальдегид, чем ниже активность фермента АЛДГ, тем медленнее проходит вторая стадия – окисление ацетальдегида до уксусной кислоты и тем дольше и сильнее проявляется опьяняющее действие от приема внутрь этанола. Анализ показал, что более чем у 80% представителей желтой расы относительно низкая активность АЛДГ и потому заметно более тяжелая переносимость алкоголя. Причина такой врожденной пониженной активности АЛДГ состоит в том, что часть остатков глутаминовой кислоты в молекуле «ослабленной» АЛДГ заменена фрагментами лизина (табл. 1).

Трансферазы – ферменты, катализирующие перенос функциональных групп, например, трансиминаза катализирует перемещение аминогруппы.

Гидролазы – ферменты, катализирующие гидролиз. Упомянутые ранее трипсин и пепсин осуществляют гидролиз пептидных связей, а липазы расщепляют сложноэфирную связь в жирах:

–RС(О)ОR 1 +Н 2 О → –RС(О)ОН + НОR 1

Лиазы – ферменты, катализирующие реакции, которые проходят не гидролитическим путем, в результате таких реакций происходит разрыв связей С-С, С-О, С-N и образование новых связей. Фермент декарбоксилаза относится к этому классу

Изомеразы – ферменты, катализирующие изомеризацию, например, превращение малеиновой кислоты в фумаровую (рис. 19), это пример цис – транс изомеризации (см. ИЗОМЕРИЯ).

Рис. 19. ИЗОМЕРИЗАЦИЯ МАЛЕИНОВОЙ КИСЛОТЫ в фумаровую в присутствии фермента.

В работе ферментов соблюдается общий принцип, в соответствии с которым всегда есть структурное соответствие фермента и реагента ускоряемой реакции. По образному выражению одного из основателей учения о ферментах Э.Фишера , реагент подходит к ферменту, как ключ к замку. В связи с этим каждый фермент катализирует определенную химическую реакцию или группу реакций одного типа. Иногда фермент может действовать на одно единственное соединение, например, уреаза (uron греч . – моча) катализирует только гидролиз мочевины:

(H 2 N) 2 C = O + H 2 O = CO 2 + 2NH 3

Наиболее тонкую избирательность проявляют ферменты, различающие оптически активные антиподы – лево- и правовращающие изомеры. L-аргиназа действует только на левовращающий аргинин и не затрагивает правовращающий изомер. L-лактатдегидрогеназа действует только на левовращающие эфиры молочной кислоты, так называемые лактаты (lactis лат . молоко), в то время как D-лактатдегидрогеназа расщепляет исключительно D-лактаты.

Большая часть ферментов действует не на одно, а на группу родственных соединений, например, трипсин «предпочитает» расщеплять пептидные связи образованные лизином и аргинином (табл. 1.)

Каталитические свойства некоторых ферментов, таких как гидролазы, определяются исключительно строением самой белковой молекулы, другой класс ферментов – оксидоредуктазы (например, алкогольдегидрогеназа) могут проявлять активность только в присутствии связанных с ними небелковых молекул – витаминов, активирующих ионов Mg, Са, Zn, Мn и фрагментов нуклеиновых кислот (рис. 20).

Рис. 20 МОЛЕКУЛА АЛКОГОЛЬДЕГИДРОГЕНАЗЫ

Транспортные белки связывают и переносят различные молекулы или ионы через мембраны клеток (как внутрь клетки, так и вовне), а также от одного органа к другому.

Например, гемоглобин связывает кислород при прохождении крови через легкие и доставляет его к различным тканям организма, где кислород высвобождается и затем используется для окисления компонентов пищи, этот процесс служит источником энергии (иногда употребляют термин «сжигание» пищевых продуктов в организме).

Помимо белковой части гемоглобин содержит комплексное соединение железа с циклической молекулой порфирином (porphyros греч . – пурпур), что и обусловливает красный цвет крови. Именно этот комплекс (рис. 21, слева) играет роль переносчика кислорода. В гемоглобине порфириновый комплекс железа располагается внутри белковой молекулы и удерживается с помощью полярных взаимодействий, а также координационной связи с азотом в гистидине (табл. 1), входящем в состав белка. Молекула О2, которую переносит гемоглобин, присоединяется с помощью координационной связи к атому железа со стороны, противоположной той, к которой присоединен гистидин (рис. 21, справа).

Рис. 21 СТРОЕНИЕ КОМПЛЕКСА ЖЕЛЕЗА

Справа показано строение комплекса в форме объемной модели. Комплекс удерживается в белковой молекуле с помощью координационной связи (синий пунктир) между атомом Fe и атомом N в гистидине, входящим в состав белка. Молекула О 2 , которую переносит гемоглобин, присоединена координационно (красный пунктир) к атому Fe с противоположной страны плоского комплекса.

Гемоглобин – один из наиболее подробно изученных белков, он состоит из a-спиралей, соединенных одиночными цепями, и содержит в своем составе четыре комплекса железа. Таким образом, гемоглобин представляет собой как бы объемистую упаковку для переноса сразу четырех молекул кислорода. По форме гемоглобин соответствует глобулярным белкам (рис. 22).

Рис. 22 ГЛОБУЛЯРНАЯ ФОРМА ГЕМОГЛОБИНА

Основное «достоинство» гемоглобина состоит в том, что присоединение кислорода и последующее его отщепление при передаче различным тканям и органам проходит быстро. Монооксид углерода, СО (угарный газ), связывается с Fe в гемоглобине еще быстрее, но, в отличие от О 2 , образует трудно разрушающийся комплекс. В результате такой гемоглобин не способен связывать О 2 , что приводит (при вдыхании больших количеств угарного газа) к гибели организма от удушья.

Вторая функция гемоглобина – перенос выдыхаемого СО 2 , но в процессе временного связывания углекислоты участвует не атом железа, а H 2 N-группы белка.

«Работоспособность» белков зависит от их строения, например, замена единственного аминокислотного остатка глутаминовой кислоты в полипептидной цепи гемоглобина на остаток валина (изредка наблюдаемая врожденная аномалия) приводит к заболеванию, называемому серповидноклеточная анемия .

Существуют также транспортные белки, способные связывать жиры, глюкозу, аминокислоты и переносить их как внутрь, так и вовне клеток.

Транспортные белки особого типа не переносят сами вещества, а выполняют функции «транспортного регулировщика», пропуская определенные вещества сквозь мембрану (внешнюю стенку клетки). Такие белки чаще называют мембранными. Они имеют форму пустотелого цилиндра и, встраиваясь в стенку мембраны, обеспечивают перемещение некоторых полярных молекул или ионов внутрь клетки. Пример мембранного белка – порин (рис. 23).

Рис. 23 БЕЛОК ПОРИН

Пищевые и запасные белки, как следует из названия, служат источниками внутреннего питания, чаще для зародышей растений и животных, а также на ранних стадиях развития молодых организмов. К пищевым белкам относят альбумин (рис. 10) – основной компонент яичного белка, а также казеин – главный белок молока. Под действием фермента пепсина казеин в желудке створаживается, это обеспечивает его задержку в пищеварительном тракте и эффективное усвоение. Казеин содержит фрагменты всех аминокислот, необходимых организму.

В ферритине (рис. 12), который содержится в тканях животных, запасены ионы железа.

К запасным белкам относят также миоглобин, по составу и строению напоминающий гемоглобин. Миоглобин сосредоточен, главным образом, в мышцах, его основная роль – хранение кислорода, который ему отдает гемоглобин. Он быстро насыщается кислородом (намного быстрее, чем гемоглобин), а затем постепенно передает его различным тканям.

Структурные белки выполняют защитную функцию (кожный покров) или опорную – скрепляют организм в единое целое и придают ему прочность (хрящи и сухожилия). Их главным компонентом является фибриллярный белок коллаген (рис. 11), наиболее распространенный белок животного мира, в организме млекопитающих, на его долю приходится почти 30% от всей массы белков. Коллаген обладает высокой прочностью на разрыв (известна прочность кожи), но из-за малого содержания поперечных сшивок в коллагене кожи, шкуры животных мало пригодны в сыром виде для изготовления различных изделий. Чтобы уменьшить набухание кожи в воде, усадку при сушке, а также для увеличения прочности в обводненном состоянии и повышения упругости в коллагене создают дополнительные поперечные сшивки (рис. 15а), это, так называемый процесс дубления кожи.

В живых организмах молекулы коллагена, возникшие в процессе роста и развития организма, не обновляются и не замещаются заново синтезированными. По мере старения организма увеличивается количество поперечных сшивок в коллагене, что приводит к снижению его эластичности, а поскольку обновление не происходит, то проявляются возрастные изменения – увеличение хрупкости хрящей и сухожилий, появление морщин на коже.

В суставных связках содержится эластин – структурный белок, легко растягивающийся в двух измерениях. Наибольшей эластичностью обладает белок резилин, который находится в местах шарнирного прикрепления крыльев у некоторых насекомых.

Роговые образования – волосы, ногти, перья состоя, в основном, из белка кератина (рис. 24). Его основное отличие – заметное содержание остатков цистеина, образующего дисульфидные мостики, что придает высокую упругость (способность восстанавливать исходную форму после деформации) волосам, а также шерстяным тканям.

Рис. 24. ФРАГМЕНТ ФИБРИЛЛЯРНОГО БЕЛКА КЕРАТИНА

Для необратимого изменения формы кератинового объекта нужно вначале разрушить дисульфидные мостики с помощью восстановителя, придать новую форму, а затем вновь создать дисульфидные мостики с помощью окислителя (рис. 16), именно так делается, например, химическая завивка волос.

При увеличении содержания остатков цистеина в кератине и, соответственно, возрастании количества дисульфидных мостиков способность к деформации исчезает, но при этом появляется высокая прочность (в рогах копытных животных и панцирях черепах содержится до 18% цистеиновых фрагментов). В организме млекопитающих содержится до 30 различных типов кератина.

Родственный кератину фибриллярный белок фиброин, выделяемый гусеницами шелкопряда при завивке кокона, а также пауками при плетении паутины, содержит только β-структуры, соединенные одиночными цепями (рис. 11). В отличие от кератина, у фиброина нет поперечных дисульфидных мостиков, он обладает очень прочен на разрыв (прочность в расчете на единицу поперечного сечения у некоторых образцов паутины выше, чем у стальных тросов). Из-за отсутствия поперечных сшивок фиброин неупруг (известно, что шерстяные ткани почти несминаемы, а шелковые легко мнутся).

Регуляторные белки.

Регуляторные белки, чаще называемые гормонами , участвуют в различных физиологических процессах. Например, гормон инсулин (рис. 25) состоит из двух α-цепей, соединенных дисульфидными мостиками. Инсулин регулирует обменные процессы с участием глюкозы, его отсутствие ведет к диабету.

Рис. 25 БЕЛОК ИНСУЛИН

В гипофизе мозга синтезируется гормон, регулирующий рост организма. Существуют регуляторные белки, контролирующие биосинтез различных ферментов в организме.

Сократительные и двигательные белки придают организму способность сокращаться, изменять форму и перемещаться, прежде всего, речь идет о мышцах. 40% от массы всех белков, содержащихся в мышцах, составляет миозин (mys, myos, греч . – мышца). Его молекула содержит одновременно фибриллярную и глобулярную часть (рис. 26)

Рис. 26 МОЛЕКУЛА МИОЗИНА

Такие молекулы объединяются в крупные агрегаты, содержащие 300–400 молекул.

При изменении концентрации ионов кальция в пространстве, окружающем мышечные волокна, происходит обратимое изменение конформации молекул – изменение формы цепи за счет поворота отдельных фрагментов вокруг валентных связей. Это приводит к сокращению и расслаблению мышц, сигнал для изменения концентрации ионов кальция поступает от нервных окончаний в мышечных волокнах. Искусственное сокращение мышц можно вызвать действием электрических импульсов, приводящих к резкому изменению концентрации ионов кальция, на этом основана стимуляция сердечной мышцы для восстановления работы сердца.

Защитные белки позволяют уберечь организм от вторжения атакующих его бактерий, вирусов и от проникновения чужеродных белков (обобщенное название чужеродных тел – антигены). Роль защитных белков выполняют иммуноглобулины (другое их название – антитела), они распознают антигены, проникшие в организм, и прочно связываются с ними. В организме млекопитающих, включая человека, есть пять классов иммуноглобулинов: M, G, A, D и E, их структура, как следует из названия, глобулярная, кроме того, все они построены сходным образом. Молекулярная организация антител показана далее на примере иммуноглобулина класса G (рис. 27). Молекула содержит четыре полипептидные цепи, объединенные тремя дисульфидными мостиками S-S (на рис. 27 они показаны с утолщенными валентными связями и крупными символами S), кроме того, каждая полимерная цепь содержит внутрицепные дисульфидные перемычки. Две большие полимерные цепи (выделены синим цветом) содержат 400–600 аминокислотных остатков. Две другие цепи (выделены зеленым цветом) почти вдвое короче, они содержат приблизительно 220 аминокислотных остатков. Все четыре цепи расположены таким образом, что концевые H 2 N-группы направлены в одну сторону.

Рис. 27 СХЕМАТИЧЕСКОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ СТРУКТУРЫ ИММУНОГЛОБУЛИНА

После контакта организма с чужеродным белком (антигеном), клетки иммунной системы начинают вырабатывать иммуноглобулины (антитела), которые накапливаются в сыворотке крови. На первом этапе основную работу совершают участки цепей, содержащие концевые H 2 N (на рис. 27 соответствующие участки отмечены светло-синим и светло-зеленым цветом). Это области захвата антигенов. В процессе синтеза иммуноглобулина эти участки формируется таким образом, чтобы их строение и конфигурация максимально соответствовали структуре приблизившегося антигена (как ключ к замку, подобно ферментам, но задачи в данном случае иные). Таким образом, для каждого антигена в качестве иммунного ответа создается строго индивидуальное антитело. Столь «пластично» изменять строение в зависимости от внешних факторов, помимо иммуноглобулинов, не может ни один известный белок. Ферменты решают задачу структурного соответствия реагенту иным путем – с помощью гигантского набора разнообразных ферментов в расчете на все возможные случаи, а иммуноглобулины каждый раз заново перестраивают «рабочий инструмент». Сверх того, шарнирный участок иммуноглобулина (рис. 27) обеспечивает двум областям захвата некоторую независимую подвижность, в результате молекула иммуноглобулина может «найти» сразу два наиболее удобных для захвата участка в антигене с тем, чтобы его надежно зафиксировать, это напоминает действия ракообразного существа.

Далее включается цепь последовательных реакций иммунной системы организма, подключаются иммуноглобулины других классов, в результате происходит дезактивация чужеродного белка, а затем уничтожение и удаление антигена (постороннего микроорганизма или токсина).

После контакта с антигеном максимальная концентрация иммуноглобулина достигается (в зависимости от природы антигена и индивидуальных особенностей самого организма) в течение нескольких часов (иногда нескольких дней). Организм сохраняет память о таком контакте, и при повторной атаке таким же антигеном иммуноглобулины накапливаются в сыворотке крови значительно быстрее и в большем количестве – возникает приобретенный иммунитет.

Приведенная классификация белков носит в определенной степени условный характер, например белок тромбин, упомянутый среди защитных белков, по существу представляет собой фермент, катализирующий гидролиз пептидных связей, то есть, относится к классу протеаз.

К защитным белкам часто относят белки змеиного яда и токсичные белки некоторых растений, поскольку их задача – уберечь организм от повреждений.

Есть белки, функции которых настолько уникальны, что это затрудняет их классификацию. Например, белок монеллин, содержащийся в одном из африканских растений, – очень сладкий на вкус, он стал предметом изучения как нетоксичное вещество, которое может быть использовано вместо сахара для предотвращения ожирения. Плазма крови некоторых антарктических рыб содержит белки со свойствами антифриза, который предохраняет кровь этих рыб от замерзания.

Искусственный синтез белков.

Конденсация аминокислот, приводящая к полипептидной цепи, представляет собой хорошо изученный процесс. Можно провести, например, конденсацию какой – либо одной аминокислоты или смеси кислот и получить, соответственно, полимер, содержащий одинаковые звенья, либо различные звенья, чередующиеся в случайном порядке. Такие полимеры мало похожи на природные полипептиды и не обладают биологической активностью. Основная задача состоит в том, чтобы соединять аминокислоты в строго определенном, заранее намеченном порядке, чтобы воспроизвести последовательность аминокислотных остатков в природных белках. Американский ученый Роберт Меррифилд предложил оригинальный метод, позволивший решить такую задачу. Сущность метода состоит в том, что первую аминокислоту присоединяют к нерастворимому полимерному гелю, который содержит реакционно-способные группы, способные соединяться с –СООН – группами аминокислоты. В качестве такой полимерной подложки был взят сшитый полистирол с введенными в него хлорметильными группами. Чтобы взятая для реакции аминокислота не прореагировала сама с собой и чтобы она не присоединилась H 2 N-группой к подложке, аминогруппу этой кислоты предварительно блокируют объемистым заместителем [(С 4 Н 9) 3 ] 3 ОС(О)-группой. После того, как аминокислота присоединилась к полимерной подложке, блокирующую группу удаляют и в реакционную смесь вводят другую аминокислоту, у которой также предварительно заблокирована H 2 N-группа. В такой системе возможно только взаимодействие H 2 N-группы первой аминокислоты и группы –СООН второй кислоты, которое проводят в присутствии катализаторов (солей фосфония). Далее всю схему повторяют, вводя третью аминокислоту (рис. 28).

Рис. 28. СХЕМА СИНТЕЗА ПОЛИПЕПТИДНЫХ ЦЕПЕЙ

На последней стадии полученные полипептидные цепи отделяют от полистирольной подложки. Сейчас весь процесс автоматизирован, существуют автоматические синтезаторы пептидов, действующие по описанной схеме. Таким методом синтезировано множество пептидов, используемых в медицине и сельском хозяйстве. Удалось также получить улучшенные аналоги природных пептидов с избирательным и усиленным действием. Синтезированы некоторые небольшие белки, например гормон инсулина и некоторые ферменты.

Существуют также методы синтеза белков, копирующие природные процессы: синтезируют фрагменты нуклеиновых кислот, настроенных на получение определенных белков, затем эти фрагменты встраивают в живой организм (например, в бактерию), после чего организм начинает вырабатывать нужный белок. Таким способом сейчас получают значительные количества труднодоступных белков и пептидов, а также их аналогов.

Белки как источники питания.

Белки в живом организме постоянно расщепляются на исходные аминокислоты (с непременным участием ферментов), одни аминокислоты переходят в другие, затем белки вновь синтезируются (также с участием ферментов), т.е. организм постоянно обновляется. Некоторые белки (коллаген кожи, волос) не обновляются, организм непрерывно их теряет и взамен синтезирует новые. Белки как источники питания выполняют две основные функции: они поставляют в организм строительный материал для синтеза новых белковых молекул и, кроме того, снабжают организм энергией (источники калорий).

Плотоядные млекопитающие (в том числе и человек) получают необходимые белки с растительной и животной пищей. Ни один из полученных с пищей белков не встраивается в организм в неизменном виде. В пищеварительном тракте все поглощенные белки расщепляются до аминокислот, и уже из них строятся белки, необходимые конкретному организму, при этом из 8 незаменимых кислот (табл. 1) в организме могут синтезироваться остальные 12, если они не поступают в достаточном количестве с пищей, но незаменимые кислоты должны поступать с пищей непременно. Атомы серы в цистеине организм получает с незаменимой аминокислотой – метионином. Часть белков распадается, выделяя энергию, необходимую для поддержания жизнедеятельности, а содержавшийся в них азот выводится из организма с мочой. Обычно организм человека теряет 25–30 г. белка в сутки, поэтому белковая пища должны постоянно присутствовать в нужном количестве. Минимальная суточная потребность в белке составляет у мужчин 37 г, у женщин 29 г, однако рекомендованные нормы потребления почти вдвое выше. При оценке пищевых продуктов важно учитывать качество белка. При отсутствии или низком содержании незаменимых аминокислот белок считается малоценным, поэтому такие белки должны потребляться в большем количестве. Так, белки бобовых культур содержат мало метионина, а в белках пшеницы и кукурузы низкое содержанием лизина (обе аминокислоты незаменимые). Животные белки (исключая коллагены) относят к полноценным пищевым продуктам. Полный набор всех незаменимых кислот содержит казеин молока, а также приготовляемые из него творог и сыр, поэтому вегетарианская диета, в том случае, если она очень строгая, т.е. «безмолочная», требует усиленного потребления бобовых культур, орехов и грибов для снабжения организма незаменимыми аминокислотами в нужном количестве.

Синтетические аминокислоты и белки используют и как пищевые продукты, добавляя их в корма, которые содержат незаменимые аминокислоты в малом количестве. Существуют бактерии, которые могут перерабатывать и усваивать углеводороды нефти, в этом случае для полноценного синтеза белков их нужно подкармливать азотсодержащими соединениями (аммиак или нитраты). Получаемый таким способом белок используют в качестве корма для скота и домашней птицы. В комбикорм домашних животных часто добавляют набор ферментов – карбогидраз, которые катализируют гидролиз трудно разлагаемых компонентов углеводной пищи (клеточные стенки зерновых культур), в результате чего растительная пища усваивается более полно.

Михаил Левицкий

БЕЛКИ (статья 2)

(протеины), класс сложных азотсодержащих соединений, наиболее характерных и важных (наряду с нуклеиновыми кислотами) компонентов живого вещества. Белки выполняют многочисленные и разнообразные функции. Большинство белков – ферменты, катализирующие химические реакции. Многие гормоны, регулирующие физиологические процессы, тоже являются белками. Такие структурные белки, как коллаген и кератин, служат главными компонентами костной ткани, волос и ногтей. Сократительные белки мышц обладают способностью изменять свою длину, используя химическую энергию для выполнения механической работы. К белкам относятся антитела, которые связывают и нейтрализуют токсичные вещества. Некоторые белки, способные реагировать на внешние воздействия (свет, запах), служат в органах чувств рецепторами, воспринимающими раздражение. Многие белки, расположенные внутри клетки и на клеточной мембране, выполняют регуляторные функции.

В первой половине 19 в. многие химики, и среди них в первую очередь Ю.фон Либих, постепенно пришли к выводу, что белки представляют собой особый класс азотистых соединений. Название «протеины» (от греч. protos – первый) предложил в 1840 голландский химик Г.Мульдер.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Белки в твердом состоянии белого цвета, а в растворе бесцветны, если только они не несут какой-нибудь хромофорной (окрашенной) группы, как, например, гемоглобин. Растворимость в воде у разных белков сильно варьирует. Она изменяется также в зависимости от рН и от концентрации солей в растворе, так что можно подобрать условия, при которых один какой-нибудь белок будет избирательно осаждаться в присутствии других белков. Этот метод «высаливания» широко используется для выделения и очистки белков. Очищенный белок часто выпадает в осадок из раствора в виде кристаллов.

В сравнении с другими соединениями молекулярная масса белков очень велика – от нескольких тысяч до многих миллионов дальтон. Поэтому при ультрацентрифугировании белки осаждаются, и притом с разной скоростью. Благодаря присутствию в молекулах белков положительно и отрицательно заряженных групп они движутся с разной скоростью и в электрическом поле. На этом основан электрофорез – метод, применяемый для выделения индивидуальных белков из сложных смесей. Очистку белков проводят и методом хроматографии.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Строение.

Белки – это полимеры, т.е. молекулы, построенные, как цепи, из повторяющихся мономерных звеньев, или субъединиц, роль которых играют у них aльфа-аминокислоты. Общая формула аминокислот

где R – атом водорода или какая-нибудь органическая группа.

Белковая молекула (полипептидная цепь) может состоять всего лишь из относительно небольшого числа аминокислот или из нескольких тысяч мономерных звеньев. Соединение аминокислот в цепи возможно потому, что у каждой из них имеются две разные химические группы: обладающая основными свойствами аминогруппа, NH2, и кислотная карбоксильная группа, СООН. Обе эти группы присоединены к a-атому углерода. Карбоксильная группа одной аминокислоты может образовать амидную (пептидную) связь с аминогруппой другой аминокислоты:

После того как две аминокислоты таким образом соединились, цепь может наращиваться путем добавления ко второй аминокислоте третьей и т.д. Как видно из приведенного выше уравнения, при образовании пептидной связи выделяется молекула воды. В присутствии кислот, щелочей или протеолитических ферментов реакция идет в обратном направлении: полипептидная цепь расщепляется на аминокислоты с присоединением воды. Такая реакция называется гидролизом. Гидролиз протекает спонтанно, а для соединения аминокислот в полипептидную цепь требуется энергия.

Карбоксильная группа и амидная группа (или сходная с ней имидная – в случае аминокислоты пролина) имеются у всех аминокислот, различия же между аминокислотами определяются природой той группы, или «боковой цепи», которая обозначена выше буквой R. Роль боковой цепи может играть и один атом водорода, как у аминокислоты глицина, и какая-нибудь объемистая группировка, как у гистидина и триптофана. Некоторые боковые цепи в химическом смысле инертны, тогда как другие обладают заметной реакционной способностью.

Синтезировать можно многие тысячи различных аминокислот, и множество различных аминокислот встречается в природе, но для синтеза белков используется только 20 видов аминокислот: аланин, аргинин, аспарагин, аспарагиновая кислота, валин, гистидин, глицин, глутамин, глутаминовая кислота, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, пролин, серин, тирозин, треонин, триптофан, фенилаланин и цистеин (в белках цистеин может присутствовать в виде димера – цистина). Правда, в некоторых белках присутствуют и другие аминокислоты, помимо регулярно встречающихся двадцати, но они образуются в результате модификации какой-нибудь из двадцати перечисленных уже после того, как она включилась в белок.

Оптическая активность.

У всех аминокислот, за исключением глицина, кα-атому углерода присоединены четыре разные группы. С точки зрения геометрии, четыре разные группы могут быть присоединены двумя способами, и соответственно есть две возможные конфигурации, или два изомера, относящиеся друг к другу, как предмет к своему зеркальному отражению, т.е. как левая рука к правой. Одну конфигурацию называют левой, или левовращающей (L), а другую – правой, или правовращающей (D), поскольку два таких изомера различаются направлением вращения плоскости поляризованного света. В белках встречаются только L-аминокислоты (исключение составляет глицин; он может быть представлен лишь одной формой, поскольку у него две из четырех групп одинаковы), и все они обладают оптической активностью (поскольку имеется только один изомер). D-аминокислоты в природе редки; они встречаются в некоторых антибиотиках и клеточной оболочке бактерий.

Последовательность аминокислот.

Аминокислоты в полипептидной цепи располагаются не случайным образом, а в определенном фиксированном порядке, и именно этот порядок определяет функции и свойства белка. Варьируя порядок расположения 20 видов аминокислот, можно получить огромное число разных белков, точно так же, как из букв алфавита можно составить множество разных текстов.

В прошлом на определение аминокислотной последовательности какого-нибудь белка уходило нередко несколько лет. Прямое определение и теперь достаточно трудоемкое дело, хотя созданы приборы, позволяющие вести его автоматически. Обычно проще бывает определить нуклеотидную последовательность соответствующего гена и вывести из нее аминокислотную последовательность белка. К настоящему времени уже определены аминокислотные последовательности многих сотен белков. Функции расшифрованных белков, как правило, известны, и это помогает представить себе возможные функции сходных белков, образующихся, например, при злокачественных новообразованиях.

Сложные белки.

Белки, состоящие из одних только аминокислот, называют простыми. Часто, однако, к полипептидной цепи бывают присоединены атом металла или какое-нибудь химическое соединение, не являющееся аминокислотой. Такие белки называются сложными. Примером может служить гемоглобин: он содержит железопорфирин, который определяет его красный цвет и позволяет ему играть роль переносчика кислорода.

В названиях большинства сложных белков содержится указание на природу присоединенных групп: в гликопротеинах присутствуют сахара, в липопротеинах – жиры. Если от присоединенной группы зависит каталитическая активность фермента, то ее называют простетической группой. Нередко какой-нибудь витамин играет роль простетической группы или входит в ее состав. Витамин А, например, присоединенный к одному из белков сетчатки, определяет ее чувствительность к свету.

Третичная структура.

Важна не столько сама аминокислотная последовательность белка (первичная структура), сколько способ ее укладки в пространстве. По всей длине полипептидной цепи ионы водорода образуют регулярные водородные связи, которые придают ей форму спирали либо слоя (вторичная структура). Из комбинации таких спиралей и слоев возникает компактная форма следующего порядка – третичная структура белка. Вокруг связей, удерживающих мономерные звенья цепи, возможны повороты на небольшие углы. Поэтому с чисто геометрической точки зрения число возможных конфигураций для любой полипептидной цепи бесконечно велико. В действительности же каждый белок существует в норме только в одной конфигурации, определяемой его аминокислотной последовательностью. Структура эта не жесткая, она как бы «дышит» – колеблется вокруг некой средней конфигурации. Цепь складывается в такую конфигурацию, при которой свободная энергия (способность производить работу) минимальна, подобно тому как отпущенная пружина сжимается лишь до состояния, соответствующего минимуму свободной энергии. Нередко одна часть цепи бывает жестко сцеплена с другой дисульфидными (–S–S–) связями между двумя остатками цистеина. Отчасти именно поэтому цистеин среди аминокислот играет особо важную роль.

Сложность строения белков столь велика, что пока еще невозможно вычислить третичную структуру белка, если даже известна его аминокислотная последовательность. Но если удается получить кристаллы белка, то его третичную структуру можно определить по дифракции рентгеновских лучей.

У структурных, сократительных и некоторых других белков цепи вытянуты и несколько лежащих рядом слегка свернутых цепей образуют фибриллы; фибриллы, в свою очередь, складываются в более крупные образования – волокна. Однако большинство белков в растворе имеет глобулярную форму: цепи свернуты в глобуле, как пряжа в клубке. Свободная энергия при такой конфигурации минимальна, поскольку гидрофобные («отталкивающие воду») аминокислоты скрыты внутри глобулы, а гидрофильные («притягивающие воду») находятся на ее поверхности.

Многие белки – это комплексы из нескольких полипептидных цепей. Такое строение называется четвертичной структурой белка. Молекула гемоглобина, например, состоит из четырех субъединиц, каждая из которых представляет собой глобулярный белок.

Структурные белки благодаря своей линейной конфигурации образуют волокна, у которых предел прочности на разрыв очень высок, глобулярная же конфигурация позволяет белкам вступать в специфические взаимодействия с другими соединениями. На поверхности глобулы при правильной укладке цепей возникают определенной формы полости, в которых размещены реакционноспособные химические группы. Если данный белок – фермент, то другая, обычно меньшая, молекула какого-то вещества входит в такую полость подобно тому, как ключ входит в замок; при этом меняется конфигурация электронного облака молекулы под влиянием находящихся в полости химических групп, и это вынуждает ее определенным образом реагировать. Таким способом фермент катализирует реакцию. В молекулах антител тоже имеются полости, в которых различные чужеродные вещества связываются и тем самым обезвреживаются. Модель «ключа и замка», объясняющая взаимодействие белков с другими соединениями, позволяет понять специфичность ферментов и антител, т.е. их способность реагировать только с определенными соединениями.

Белки у разных видов организмов.

Белки, выполняющие одну и ту же функцию у разных видов растений и животных и потому носящие одно и то же название, имеют и сходную конфигурацию. Они, однако, несколько различаются по своей аминокислотной последовательности. По мере того как виды дивергируют от общего предка, некоторые аминокислоты в определенных положениях замещаются в результате мутаций другими. Вредные мутации, являющиеся причиной наследственных болезней, выбраковываются естественным отбором, но полезные или по крайней мере нейтральные могут сохраняться. Чем ближе друг к другу два каких-нибудь биологических вида, тем меньше различий обнаруживается в их белках.

Некоторые белки меняются относительно быстро, другие весьма консервативны. К последним принадлежит, например, цитохром с – дыхательный фермент, имеющийся у большинства живых организмов. У человека и шимпанзе его аминокислотные последовательности идентичны, а в цитохроме с пшеницы иными оказались лишь 38% аминокислот. Даже сравнивая человека и бактерии, сходство цитохромов с (различия затрагивают здесь 65% аминокислот) все еще можно заметить, хотя общий предок бактерии и человека жил на Земле около двух миллиардов лет назад. В наше время сравнение аминокислотных последовательностей часто используют для построения филогенетического (генеалогического) древа, отражающего эволюционные связи между разными организмами.

Денатурация.

Синтезированная молекула белка, складываясь, приобретает свойственную ей конфигурацию. Эта конфигурация, однако, может разрушиться при нагревании, при изменении рН, под действием органических растворителей и даже при простом взбалтывании раствора до появления на его поверхности пузырьков. Измененный таким образом белок называют денатурированным; он утрачивает свою биологическую активность и обычно становится нерастворимым. Хорошо знакомые всем примеры денатурированного белка – вареные яйца или взбитые сливки. Небольшие белки, содержащие всего лишь около сотни аминокислот, способны ренатурировать, т.е. вновь приобретать исходную конфигурацию. Но большинство белков превращается при этом просто в массу спутанных полипептидных цепей и прежнюю конфигурацию не восстанавливает.

Одна из главных трудностей при выделении активных белков связана с их крайней чувствительностью к денатурации. Полезное применение это свойство белков находит при консервировании пищевых продуктов: высокая температура необратимо денатурирует ферменты микроорганизмов, и микроорганизмы погибают.

СИНТЕЗ БЕЛКОВ

Для синтеза белка живой организм должен располагать системой ферментов, способных присоединять одну аминокислоту к другой. Необходим также источник информации, которая бы определяла, какие именно аминокислоты следует соединять. Поскольку в организме имеются тысячи видов белков и каждый из них состоит в среднем из нескольких сотен аминокислот, необходимая информация должна быть поистине огромной. Хранится она (подобно тому, как хранится запись на магнитной ленте) в молекулах нуклеиновых кислот, из которых состоят гены.

Активация ферментов.

Синтезированная из аминокислот полипептидная цепь – это далеко не всегда белок в его окончательной форме. Многие ферменты синтезируются сначала в виде неактивных предшественников и переходят в активную форму лишь после того, как другой фермент удалит на одном из концов цепи несколько аминокислот. В такой неактивной форме синтезируются некоторые из пищеварительных ферментов, например трипсин; эти ферменты активируются в пищеварительном тракте в результате удаления концевого фрагмента цепи. Гормон инсулин, молекула которого в активной форме состоит из двух коротких цепей, синтезируется в виде одной цепи, т.н. проинсулина. Затем средняя часть этой цепи удаляется, а оставшиеся фрагменты связываются друг с другом, образуя активную молекулу гормона. Сложные белки образуются лишь после того, как к белку будет присоединена определенная химическая группа, а для этого присоединения часто тоже требуется фермент.

Метаболический кругооборот.

После скармливания животному аминокислот, меченных радиоактивными изотопами углерода, азота или водорода, метка быстро включается в его белки. Если меченые аминокислоты перестают поступать в организм, то количество метки в белках начинает снижаться. Эти эксперименты показывают, что образовавшиеся белки не сохраняются в организме до конца жизни. Все они, за немногими исключениями, находятся в динамичном состоянии, постоянно распадаются до аминокислот, а затем вновь синтезируются.

Некоторые белки распадаются, когда гибнут и разрушаются клетки. Это постоянно происходит, например, с эритроцитами и клетками эпителия, выстилающего внутреннюю поверхность кишечника. Кроме того, распад и ресинтез белков протекают и в живых клетках. Как ни странно, о распаде белков известно меньше, чем об их синтезе. Ясно, однако, что в распаде участвуют протеолитические ферменты, сходные с теми, которые расщепляют белки до аминокислот в пищеварительном тракте.

Период полураспада у разных белков различен – от нескольких часов до многих месяцев. Единственное исключение – молекулы коллагена. Однажды образовавшись, они остаются стабильными, не обновляются и не замещаются. Со временем, однако, меняются некоторые их свойства, в частности эластичность, а поскольку они не обновляются, следствием этого оказываются определенные возрастные изменения, например появление морщин на коже.

Синтетические белки.

Химики давно уже научились полимеризовать аминокислоты, но аминокислоты соединяются при этом неупорядоченно, так что продукты такой полимеризации мало похожи на природные. Правда, имеется возможность соединять аминокислоты в заданном порядке, что позволяет получать некоторые биологически активные белки, в частности инсулин. Процесс достаточно сложен, и таким способом удается получать лишь те белки, в молекулах которых содержится около сотни аминокислот. Предпочтительнее вместо этого синтезировать или выделить нуклеотидную последовательность гена, соответствующую желаемой аминокислотной последовательности, а затем ввести этот ген в бактерию, которая и будет вырабатывать путем репликации большое количество нужного продукта. У этого метода, впрочем, тоже есть свои недостатки.

БЕЛКИ И ПИТАНИЕ

Когда белки в организме распадаются до аминокислот, эти аминокислоты могут быть снова использованы для синтеза белков. В то же время и сами аминокислоты подвержены распаду, так что они реутилизируются не полностью. Ясно также, что в период роста, при беременности и заживлении ран синтез белков должен превышать распад. Некоторые же белки организм непрерывно теряет; это белки волос, ногтей и поверхностного слоя кожи. Поэтому для синтеза белков каждый организм должен получать аминокислоты с пищей.

Источники аминокислот.

Зеленые растения синтезируют из СО2, воды и аммиака или нитратов все 20 аминокислот, встречающихся в белках. Многие бактерии тоже способны синтезировать аминокислоты при наличии сахара (или какого-нибудь его эквивалента) и фиксированного азота, но и сахар, в конечном счете, поставляется зелеными растениями. У животных способность к синтезу аминокислот ограниченна; они получают аминокислоты, поедая зеленые растения или других животных. В пищеварительном тракте поглощенные белки расщепляются до аминокислот, последние всасываются, и уже из них строятся белки, характерные для данного организма. Ни один поглощенный белок не включается в структуры тела как таковой. Единственное исключение заключается в том, что у многих млекопитающих часть материнских антител может в интактном виде попасть через плаценту в кровоток плода, а через материнское молоко (особенно у жвачных) быть передано новорожденному сразу же после его появления на свет.

Потребность в белках.

Ясно, что для поддержания жизни организм должен получать с пищей некоторое количество белков. Однако размеры этой потребности зависят от ряда факторов. Организму необходима пища и как источник энергии (калорий), и как материал для построения его структур. На первом месте стоит потребность в энергии. Это значит, что, когда углеводов и жиров в рационе мало, пищевые белки используются не для синтеза собственных белков, а в качестве источника калорий. При длительном голодании даже собственные белки расходуются на удовлетворение энергетических нужд. Если же углеводов в рационе достаточно, то потребление белков может быть снижено.

Азотистый баланс.

В среднем ок. 16% всей массы белка составляет азот. Когда входившие в состав белков аминокислоты расщепляются, содержавшийся в них азот выводится из организма с мочой и (в меньшей мере) с калом в виде различных азотистых соединений. Удобно поэтому для оценки качества белкового питания использовать такой показатель, как азотистый баланс, т.е. разность (в граммах) между количеством азота, поступившего в организм, и количеством выведенного азота за сутки. При нормальном питании у взрослого эти количества равны. У растущего организма количество выведенного азота меньше количества поступившего, т.е. баланс положителен. При нехватке белков в рационе баланс отрицателен. Если калорий в рационе достаточно, но белки в нем полностью отсутствуют, организм сберегает белки. Белковый обмен при этом замедляется, и повторная утилизация аминокислот в синтезе белка идет с максимально возможной эффективностью. Однако потери неизбежны, и азотистые соединения все же выводятся с мочой и частично с калом. Количество азота, выведенного из организма за сутки при белковом голодании, может служить мерой суточной нехватки белка. Естественно предположить, что, введя в рацион количество белка, эквивалентное этому дефициту, можно восстановить азотистый баланс. Однако это не так. Получив такое количество белка, организм начинает использовать аминокислоты менее эффективно, так что для восстановления азотистого баланса требуется некоторое дополнительное количество белка.

Если количество белка в рационе превышает необходимое для поддержания азотистого баланса, то вреда от этого, по-видимому, нет. Избыток аминокислот просто используется как источник энергии. В качестве особенно яркого примера можно сослаться на эскимосов, которые потребляют мало углеводов и примерно в десять раз больше белка, чем требуется для поддержания азотистого баланса. В большинстве случаев, однако, использование белка в качестве источника энергии невыгодно, поскольку из определенного количества углеводов можно получить намного больше калорий, чем из такого же количества белка. В бедных странах население получает необходимые калории за счет углеводов и потребляет минимальное количество белка.

Если необходимое число калорий организм получает в форме небелковых продуктов, то минимальное количество белка, обеспечивающее поддержание азотистого баланса, составляет для взрослого человека ок. 30 г в день. Примерно столько белка содержится в четырех ломтиках хлеба или 0,5 л молока. Оптимальным считают обычно несколько большее количество; рекомендуется от 50 до 70 г.

Незаменимые аминокислоты.

До сих пор белок рассматривался как нечто целое. Между тем для того, чтобы мог идти синтез белка, в организме должны присутствовать все необходимые аминокислоты. Некоторые из аминокислот организм животного сам способен синтезировать. Их называют заменимыми, поскольку они не обязательно должны присутствовать в рационе, – важно лишь, чтобы в целом поступление белка как источника азота было достаточным; тогда при нехватке заменимых аминокислот организм может синтезировать их за счет тех, что присутствуют в избытке. Остальные, «незаменимые», аминокислоты не могут быть синтезированы и должны поступать в организм с пищей. Для человека незаменимыми являются валин, лейцин, изолейцин, треонин, метионин, фенилаланин, триптофан, гистидин, лизин и аргинин. (Хотя аргинин и может синтезироваться в организме, его относят к незаменимым аминокислотам, поскольку у новорожденных и растущих детей он образуется в недостаточном количестве. С другой стороны, для человека зрелого возраста поступление некоторых из этих аминокислот с пищей может стать необязательным.)

Этот список незаменимых аминокислот приблизительно одинаков также и у других позвоночных и даже у насекомых. Питательную ценность белков обычно определяют, скармливая их растущим крысам и следя за прибавкой веса животных.

Питательная ценность белков.

Питательную ценность белка определяют по той незаменимой аминокислоте, которой более всего не хватает. Проиллюстрируем это на примере. В белках нашего тела содержится в среднем ок. 2% триптофана (по весу). Допустим, что в рацион входит 10 г белка, содержащего 1% триптофана, и что других незаменимых аминокислот в нем достаточно. В нашем случае 10 г этого неполноценного белка по сути эквивалентны 5 г полноценного; остальные 5 г могут послужить только источником энергии. Отметим, что, поскольку аминокислоты в организме практически не запасаются, а для того чтобы мог идти синтез белка, должны одновременно присутствовать все аминокислоты, эффект от поступления незаменимых аминокислот можно обнаружить лишь в том случае, если все они поступят в организм одновременно.

Усредненный состав большей части животных белков близок к усредненному составу белков человеческого тела, так что аминокислотная недостаточность нам вряд ли грозит, если наш рацион богат такими продуктами, как мясо, яйца, молоко и сыр. Однако есть белки, например желатин (продукт денатурации коллагена), которые содержат очень мало незаменимых аминокислот. Растительные белки, хотя они в этом смысле и лучше желатина, тоже бедны незаменимыми аминокислотами; особенно мало в них лизина и триптофана. Тем не менее и чисто вегетарианскую диету вовсе нельзя считать вредной, если только при этом потребляется несколько большее количество растительных белков, достаточное для того, чтобы обеспечить организм незаменимыми аминокислотами. Больше всего белка содержится у растений в семенах, особенно в семенах пшеницы и различных бобовых культур. Богаты белком также и молодые побеги, например у спаржи.

Синтетические белки в рационе.

Добавляя небольшие количества синтетических незаменимых аминокислот или богатых ими белков к неполноценным белкам, например к белкам кукурузы, можно значительно повысить питательную ценность последних, т.е. тем самым как бы увеличить количество потребляемого белка. Другая возможность состоит в выращивании бактерий или дрожжей на углеводородах нефти с добавлением нитратов или аммиака в качестве источника азота. Полученный таким путем микробный белок может служить кормом для домашней птицы или скота, а может и непосредственно потребляться человеком. Третий, широко применяющийся, метод использует особенности физиологии жвачных животных. У жвачных в начальном отделе желудка, т.н. рубце, обитают особые формы бактерий и простейших, которые превращают неполноценные растительные белки в более полноценные микробные белки, а эти, в свою очередь, – после переваривания и всасывания – превращаются в животные белки. К корму скота можно добавить мочевину – дешевое синтетическое азотсодержащее соединение. Обитающие в рубце микроорганизмы используют азот мочевины для превращения углеводов (которых в корме значительно больше) в белок. Около трети всего азота в корме скота может поступать в виде мочевины, что по сути и означает в определенной мере химический синтез белка.