Белки

Белки - высокомолекулярные природные полимеры, построенные из остатков аминокислот, соединенных амидной (пептидной) связью —СО—NH—. Белки (протеины, полипептиды) — высокомолекулярные органические вещества, состоящие из соединённых в цепочку пептидной связью альфа-аминокислот. Белки - высокомолекулярные азотистые органические вещества, построенные из аминокислот и играющие фундаментальную роль в структуре и жизнедеятельности организмов.

В живых организмах аминокислотный состав белков определяется генетическим кодом, при синтезе в большинстве случаев используется 20 стандартных аминокислот. Множество их комбинаций дают большое разнообразие свойств молекул белков. Кроме того, аминокислоты в составе белка часто подвергаются посттрансляционным модификациям, которые могут возникать и до того, как белок начинает выполнять свою функцию, и во время его «работы» в клетке. Часто в живых организмах несколько молекул белков образуют сложные комплексы, например, фотосинтетический комплекс.

Белки – являются основной и необходимой составной частью всех организмов. Именно Белки осуществляют обмен веществ и энергетические превращения, неразрывно связанные с активными биологическими функциями. Сухое вещество большинства органов и тканей человека и животных, а также большая часть микроорганизмов состоят главным образом из белков (40-50%), причем растительному миру свойственно отклонение от этой средней величины в сторону понижения, а животному - повышения.

Белковые вещества лежат в основе важнейших процессов жизнедеятельности. Обмен веществ, мышечное сокращение, нервная проводимость и жизнь клетки в целом неразрывно связаны с активностью ферментов - высокоспецифич. катализаторов биохимических реакций, являющихся белками.

Белковые вещества являются основой протоплазмы всех живых клеток. Различные стороны жизнедеятельности организма – от пищеварения и мышечной деятельности до размножения – связаны с особенностями белковых веществ. Белки находятся в клетках растений главным образом в коллоидном состоянии. Это высокомолекулярные азотсодержащие вещества, в состав которых входят углерод, кислород, водород, азот, сера и часто фосфор.

В последние годы большое внимание уделяют аминокислотам и как биологически активным веществам, которые можно использовать для лечения больных. Некоторые аминокислоты, например глютаминовую кислоту и метионин, широко используют в медицине.

Важную группу составляют регуляторные белки, контролирующие биосинтез белков и нуклеиновых кислот. К регуляторным белкам относятся также пептидно-белковые гормоны, которые секретируются эндокринными железами.

В природе существует примерно 1010-1012 различных белков, обеспечивающих жизнедеятельность организмов всех степеней сложности от вирусов до человека, они обеспечивают жизнь более 2 млн. видам организмов. Белками являются ферменты, антитела, многие гормоны и другие биологические активные вещества. Необходимость постоянного обновления белков лежит в основе обмена веществ. Именно поэтому белки и явились тем исключительным материалом, который послужил основой возникновения жизни на Земле. Ни одно вещество из всех веществ биологического происхождения не имеет столь большого значения и не обладает столь многогранными функциями в жизни организма как белки.

Состав и строение Белка

Пептидная связь. Белки представляют собой нерегулярные полимеры, построенные из остатков -аминокислот, общую формулу которых в водном растворе при значениях pH близких к нейтральным можно записать как NH3+CHRCOO-. Остатки аминокислот в белках соединены амидной связью между -амино- и -карбоксильными группами. Связь между двумя -аминокислотными остатками обычно называется пептидной связью, а полимеры, построенные из остатков -аминокислот, соединенных пептидными связями, называют полипептидами. Белок как биологически значимая структура может представлять собой как один полипептид, так и несколько полипептидов, образующих в результате нековалентных взаимодействий единый комплекс.

Все входящие в пептидную связь атомы располагаются в одной плоскости (планарная конфигурация).

Расстояние между атомами С и N (в -СО-NH-связи) равно 0,1325 нм, то есть меньше нормального расстояния между -углеродным атомом и атомом N той же цепи, выражаемого величиной 0,146 нм. Вместе с тем оно превышает расстояние между атомами С и N, соединенными двойной связью (0,127 нм). Таким образом, связь С и N в -СО-NH -группировке может рассматриваться как промежуточная между простой и двойной вследствие сопряжения р-электронов карбонильной группы со свободными электронами атома азота. Это определенным образом сказывается на свойствах полипептидов и белков: по месту пептидных связей легко осуществляется таутомерная перегруппировка, приводящая к образованию енольной формы пептидной связи, отличающейся повышенной реакционной способностью.

Элементный состав белков. Белки содержат в среднем около 1 6% азота, 50-55% углерода, 21-23% кислорода , 15-17% азота , 6-7% водорода , 0,3-2,5% серы. В составе отдельных белков обнаружены также фосфор, йод, железо, медь и некоторые другие макро- и микроэлементы, в различных, часто очень малых количествах.

Содержание основных химических элементов в белках может различаться, за исключением азота, концентрация которого характеризуется наибольшим постоянством.

Для изучения аминокислотного состава белков используется главным образом метод гидролиза, то есть нагревание белка с 6-10 моль/литр соляной кислотой при температуре 100-1100С. получают смесь -аминокислот, из которых можно выделить индивидуальные аминокислоты. Для количественного анализа этой смеси в настоящее время применяют ионообменную и бумажную хроматографию. Сконструированы специальные автоматические анализаторы аминокислот.

Разработаны также ферментативные методы ступенчатого расщепления белка. Некоторые ферменты расщепляют макромолекулу белка специфически - только в местах нахождения определенной аминокислоты. Так получают продукты ступенчатого расщепления - пептоны и пептиды, последующим анализом которых устанавливают их аминокислотный остаток.

В результате гидролиза различных белков выделено не более 30 -аминокислот. Двадцать из них встречаются чаще других. При образовании молекулы белка или полипептида -аминокислоты могут соединяться в различной последовательности. Возможно огромное число различных комбинаций, например из 20 -аминокислот можно образовать больше 1018 комбинаций. Существование различного типа полипептидов практически неограниченно.

Последовательность соединения аминокислот в том или ином белке устанавливают путем ступенчатого расщепления или рентгеноструктурным анализом.

Для идентификации белков и полипептидов используют специфические реакции на белки. Например:

а) ксантопротеиновая реакция (появление желтого окрашивания при взаимодействии с концентрированной азотной кислотой, которое в присутствии аммиака становиться оранжевым ; реакция связана с нитрованием остатков фенилаланина и тирозина);

б) биуретовая реакция на пептидные связи - действие разбавленного сульфата меди (II) на слабощелочной раствор белка сопровождающийся появлением фиолетово-синей окраски раствора, что обусловлено комплексообразованием между медью и полипептидами.

в) реакция Миллона (образование желто-коричневого окрашивания при взаимодействии с Hg(NO3)2 + HNO3 + HNO2;

Молекулярная масса Белка. Белки являются высокомолекулярными соединениями. Это полимеры, состоящие из сотен и тысяч аминокислотных остатков - мономеров. Соответственно и молекулярная масса белков находится в пределах 10000-1000000. Так, в составе рибонуклеазы (фермента, расщепляющего РНК) содержится 124 аминокислотных остатка и ее молекулярная масса составляет примерно 14000. Миоглобин (белок мышц), состоящий из 153 аминокислотных остатков, имеет молекулярную массу 17000, а гемоглобин - 64500 (574 аминокислотных остатка). Молекулярные массы других белков более высокие: глобулин (образует антитела) состоит из 1250 аминокислот и имеет молекулярную массу около 150000, а молекулярная масса белка вируса гриппа - 320 000 000.

Структура Белков. При изучении состава белков было установлено, что все они построены по единому принципу и имеют четыре уровня организации: первичную, вторичную, третичную, а отдельные из них и четвертичную структуры.

Первичная структура. Представляет собой линейную цепь аминокислот (полипептид), расположенных в определенной последовательности с четким генетически обусловленным порядком чередования и соединенных между собой пептидными связями.

Пептидная связь образуется за счет карбоксильной группы одной аминокислоты и аминной группы другой.

К настоящему времени установлены последовательности аминокислот для нескольких тысяч различных белков. Запись структуры белков в виде развернутых структурных формул громоздка и не наглядна. Поэтому используется сокращенная форма записи - трехбуквенная или однобуквенная.

При записи аминокислотной последовательности в полипептидных или олигопептидных цепях с помощью сокращенной символики предполагается, если это особо не оговорено, что -аминогруппа находится слева, а -карбоксильная группа - справа. Соответствующие участки полипептидной цепи называют N-концом (аминным концом) и С-концом (карбоксильным концом), а аминокислотные остатки - соответственно N-концевым и С-концевым остатками.

Вторичная структура. Вторичной структурой называют конформацию, которую образует полипептидная цепь. Для высокомолекулярных белков характерна структура спирали.

Впервые такая структура на основе рентгеноструктурного анализа была обнаружена при изучении главного белка волос и шерсти - кератина (Л. Полинг). Ее назвали -структурой или -спиралью. Обычно в природных продуктах встречаются белки со строением правой спирали, хотя известна и структура левой спирали.

Спиральные структуры белка. Для полипептидных цепей известно несколько различных типов спиралей. Если при наблюдении вдоль оси спирали она удаляется от наблюдателя по часовой стрелке, то спираль считается правой (правозакрученной), а если удаляется против часовой стрелки - левой (левозакрученной). Наиболее распространена правая спираль (предложена Л. Полингом и Р. Кори). Идеальная спираль имеет шаг 0,54 нм и число однотипных атомов на один виток спирали 3,6. строение спирали стабилизируется внутримолекулярными водородными связями.

В природных белках существуют лишь правозакрученные спиральные конформации полипептидных цепей, что сопряжено с наличием в белковых телах аминокислот только L-ряда (за исключением особых случаев).

При растяжении кератина образуется вещество с другими свойствами - кератин. При растяжении спираль макромолекулы белка превращается в другую структуру, напоминающую линейную. Отдельные полипептидные цепи здесь связаны межмолекулярными водородными связями. Эта структура называется -структурой ( структура складчатого листа, складчатого слоя)

Складчатые структуры белка. Одним из распространенных примеров складчатой периодической структуры белка являются так называемые складки, состоящие из двух фрагментов, каждый из которых представлен полипептидом.

Складки также стабилизируются водородными связями между атомом водорода аминной группы одного фрагмента и атомом кислорода карбоксильной группы другого фрагмента. При этом фрагменты могут иметь как параллельную, так и антипараллельную ориентацию относительно друг друга. Для того чтобы два участка полипептидной цепи располагались в ориентации, благоприятствующей образованию складок, между ними должен существовать участок, имеющий структуру, резко отличающийся от периодической.

Третичная структура. Сведения о чередовании аминокислотных остатков в полипептидной цепи (первичная структура) и наличие в белковой молекуле спирализованных, слоистых и неупорядоченных ее фрагментов (вторичная структура) еще не дают полного представления ни об объеме, ни о форме, ни тем более о взаимном расположении участков полипептидной цепи по отношению друг к другу. Эти особенности строения белка выясняют при изучении его третичной структуры, под которой понимают - общее расположение в пространстве составляющих молекул одной или нескольких полипептидных цепей, соединенных ковалентными связями. То есть третичная конфигурация - реальная трехмерная конфигурация, которую принимает в пространстве закрученная спираль, которая в свою очередь свернута спиралью. У такой структуры в пространстве имеются выступы и впадины с обращенными наружу функциональными группами.

Полное представление о третичной структуре дают координаты всех атомов белка. Благодаря огромным успехом рентгеноструктурного анализа такие данные, за исключением координат атомов водорода получены для значительного числа белков. Это огромные массивы информации, хранящиеся в специальных банках данных на машиночитаемых носителях, и их обработка немыслима без применения быстродействующих компьютеров. Полученные на компьютерах координаты атомов дают полную информацию о геометрии полипептидной цепи, что позволяет выявить спиральную структуру, - складки или нерегулярные фрагменты.

Третичная структура формируется в результате нековалентных взаимодействий (электростатические, ионные, силы Ван-дер-Ваальса и др.) боковых радикалов, обрамляющих -спирали и -складки, и непериодических фрагментов полипептидной цепи. Среди связей, удерживающих третичную структуру, следует отметить:

а) дисульфидный мостик (-S-S-) между двумя остатками цистеина; б) сложноэфирный мостик (между карбоксильной группой и гидроксильной группой); в) солевой мостик (между карбоксильной группой и аминогруппой); г) водородные связи между группами -СО - и -NH-;

Третичной структурой объясняется специфичность белковой молекулы, ее биологическая активность.

Четвертичная структура. У большинства белков пространственная организация заканчивается третичной структурой, но для некоторых белков с молекулярной массой больше 50-100 тысяч, построенных из несколько полипептидных цепей характерна четвертичная. Сущность такой структуры в объединении несколько полимерных цепей были в единый комплекс. Такой комплекс также рассматривается как белок, состоящий из нескольких субъединиц. Белки, состоящие из нескольких субъединиц, широко распространены в природе (гемоглобин, вирус табачной мозаики, фосфорилаза, РНК-полимераза). Субъединицы принято обозначать греческими буквами (так у гемоглобина имеется по две и субъединицы). Наличие нескольких субъединиц важно в функциональном отношении - оно увеличивает степень насыщения кислородом.

Четвертичная структура стабилизируется в основном силами слабых воздействий: а) водородная; б) гидрофобная; в) ионные; г) ковалентные (дисульфидные, пептидные).

Денатурация белков. Денатурация белка - разрушение сил (связей), стабилизирующих четвертичную, третичную и вторичную структуры, приводящее к дезориентации конфигурации белковой молекулы и сопровождаемое изменением растворимости, вязкости, химической активности, характера рассеивания рентгеновских лучей, снижением или полной потерей биологической функции.

Различают физические (температура, давление, механическое воздействие, ультразвуковое и ионизирующее излучения) и химические (тяжелые металлы, кислоты, щелочи, органические растворители, алкалоиды) факторы, вызывающие денатурацию.

Обратным процессом является ренатурация, то есть восстановление физико-химических и биологических свойств белка. Иногда для этого достаточно удалить денатурирующий объект. Ренатурация невозможна если затронута первичная структура.