В кислой среде α-аминокислоты выступают как основания (по аминогруппе), а в щелочной - как кислоты (по карбоксильной группе). У некоторых аминокислот может ионизироваться также радикал (R), в связи, с чем все аминокислоты можно разделить на заряженные и незаря­женные (при физиологическом значении рН=6,0 - 8,0) (см. табл. 4). В качестве примера первых можно привести аспарагиновую кислоту и ли­зин:

Если радикалы аминокислот нейтральные, то они не оказывают влияния на диссоциацию α-карбоксильной или α-аминогруппы, и вели­чинырК (отрицательный логарифм, показывающий значение рН, при котором эти группы наполовину диссоциированы) остаются относительно постоянными.

Величины рК для α-карбоксилыюй (pK 1) и α-аминогруппы (рК 2) сильно различаются. При рН < pK 1 почти все молекулы аминокислоты протежированы и заряжены положительно. Напротив, при рН > рК 2 прак­тически все молекулы аминокислоты являются отрицательно за­ряженными, так как α-карбоксильная группа находится в диссоции­рованном состоянии.

Следовательно, в зависимости от рН среды аминокислоты имеют суммарный нулевой положительный или отрицательный заряд. Значение рН, при котором суммарный заряд молекулы равен нулю, и она не перемещается в электрическом поле ни к катоду, ни к аноду, называется изоэлектрической точкой и обозначается pI.

Для нейтральных α-аминокислот значение pI находят как сред­нее арифметическое между двумя значениями рК:

При рН раствора меньше pI аминокислоты протонируются и, за­ряжаясь положительно, перемещаются в электрическом поле к катоду. Обратная картина наблюдается при рН > pI.

Для аминокислот, содержащих заряженные (кислотные или ос­новные) радикалы, изоэлектрическая точка зависит от кислотности или основности этих радикалов и их рК (рК 3). Значение pI для них находят по следующим формулам:

для кислых аминокислот:

для основных аминокислот:

В клетках и межклеточной жидкости организма человека и жи­вотных рН среды близко к нейтральному, поэтому основные аминокисло­ты (лизин, аргинин) имеют положительный заряд (катионы), кислые ами­нокислоты (аспарагиновая, глутаминовая) имеют отрицательный заряд (анионы), а остальные существуют в виде биполярного цвиттер-иона.

Стереохимия аминокислот

Важной особенностью белковых α-аминокислот является их оп­тическая активность. За исключением глицина все они построены асим­метрично, в связи с чем, будучи растворены в воде или в соляной кисло­те, способны вращать плоскость поляризации света. Аминокислоты суще­ствуют в виде пространственных изомеров, относящихся к D- или L-ряду. L- или D-конфигурация определяется типом строения соединения относительно асимметрического атома углерода (атом углерода, свя­занный с четырьмя различными атомами или группами атомов). В фор­мулах асимметрический атом углерода обозначают звездочкой. На рис.3 показаны проекционные модели L- и D- конфигураций аминокислот, ко­торые являются как бы зеркальным отображением друг друга. Все 18 оптически активных белковых аминокислот относятся к L -ряду. Однако в клетках многих микроорганизмов и в антибиотиках, продуцируемых некоторыми из них, обнаружены D-аминокислоты.

Рис. 3. Конфигурация L- и D- аминокислот

Строение белков

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 пептиднойсвязью - 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.

Для определения аминокислотного состава белки (пептиды) подвергают гидролизу:

В нейтральной среде эта реакция протекает очень медленно, но ускоряется в присутствии кислот или щелочей. Обычно гидролиз белков проводят в запаянной ампуле в 6М растворе соляной кислоты при 105 °С; в таких условиях полный распад происходит примерно за сутки. В неко­торых случаях белок гидролизуют в более мягких условиях (при темпера­туре 37-40 °С) под действием биологических катализаторов-ферментов в течение нескольких часов.

Затем аминокислоты гидролизата разделяют методом хромато­графии на ионообменных смолах (сульфополистирольный катионит), вы­деляя отдельно фракцию каждой аминокислоты. Для вымывания аминокис­лот с ионнообменной колонки используют буферы с возрастающим зна­чением рН. Первым снимается аспартат, имеющий кислотную боковую цепь; аргинин с основной боковой цепью вымывается последним. После­довательность снятия аминокислот с колонки определяют по профилю вымывания стандартных аминокислот. Фракционированные аминокислоты определяют по окраске, образующейся при нагревании с нингидрином:

В этой реакции бесцветный нингидрин превращается; в синефиолетовый продукт, интенсивность окраски которого (при 570 нм) пропорциональна количеству аминокислоты (только пролин дает желтое окрашивание). Измерив, интенсивность окрашивания, можно рассчитать концентрацию каждой аминокислоты в гидролизате и число остатков каждой из них в исследуемом белке.

В настоящее время такой анализ проводят с помощью автомати­ческих приборов - аминокислотных анализаторов (см. ниже рис. Схемы прибора). Результат ана­лиза прибор выдаёт в виде графика концентраций отдельных аминокис­лот. Этот метод нашел широкое применение в исследовании состава пищевых веществ, клинической практике; с его помощью за 2-3 часа можно получить полную картину качественного состава амино­кислот продуктов и биологических жидкостей.

Аминокислотами называются органические карбоновые кислоты, у которых как минимум один из атомов водорода углеводородной цепи замещен на аминогруппу. В зависимости от положения группы -NН 2 различают α, β, γ и т. д. L-аминокислоты. К настоящему времени в различных объектах живого мира найдено до 200 различных аминокислот. В организме человека содержится около 60 различных аминокислот и их производных, но не все они входят в состав белков.

Аминокислоты делятся на две группы:

1. протеиногенные (входящие в состав белков)

   Среди них выделяют главные (их всего 20) и редкие. Редкие белковые аминокислоты (например, гидроксипролин, гидроксилизин, аминолимонная кислота и др.) на самом деле являются производными тех же 20 аминокислот.

   Остальные аминокислоты не участвуют в построении белков; они находятся в клетке либо в свободном виде (как продукты обмена), либо входят в состав других небелковых соединений. Например, аминокислоты орнитин и цитруллин являются промежуточными продуктами в образовании протеиногенной аминокислоты аргинина и участвуют в цикле синтеза мочевины; γ-амино-масляная кислота тоже находится в свободном виде и играет роль медиатора в передаче нервных импульсов; β-аланин входит в состав витамина - пантотеновой кислоты.

2. непротеиногенные (не участвующие в образовании белков)

   Непротеиногенные аминокислоты в отличие от протеиногенных более разнообразны, особенно те, которые содержатся в грибах, высших растениях. Протеиногенные аминокислоты участвуют в построении множества разных белков независимо от вида организма, а непротеиногенные аминокислоты могут быть даже токсичны для организма другого вида, т. е. ведут себя как обычные чужеродные вещества. Например, канаванин, дьенколевая кислота и β-циано-аланин, выделенные из растений, ядовиты для человека.

Строение и классификация протеиногенных аминокислот

Радикал R в простейшем случае представлен атомом водорода (глицин), а может иметь и сложное строение. Поэтому α-аминокислоты отличаются друг от друга прежде всего строением бокового радикала, а следовательно, и физико-химическими свойствами, присущими этим радикалам. Приняты три классификации аминокислот:

Приведенная физиологическая классификация аминокислот не универсальна в отличие от первых двух классификаций и до некоторой степени условна, поскольку действительна только для организмов данного вида. Однако абсолютная незаменимость восьми аминокислот универсальна для всех видов организмов (в табл. 2 приведены данные для некоторых представителей позвоночных и насекомых [показать] ).

Для крыс и мышей незаменимых аминокислот уже девять (к восьми известным добавляется гистидин). Нормальный рост и развитие курицы возможны только при наличии одиннадцати незаменимых аминокислот (добавляются гистидин, аргинин, тирозин), т. е. полузаменимые для человека аминокислоты абсолютно незаменимы для курицы. Для москитов глицин является абсолютно незаменимой, а тирозин, наоборот, заменимой аминокислотой.

Значит, для разных видов организмов возможны существенные отклонения в потребности в отдельных аминокислотах, что определяется особенностями их обмена.

Сложившийся для каждого вида организма состав незаменимых аминокислот, или так называемая ауксотрофность организма в отношении аминокислот, отражает скорее всего стремление его к минимальным энергетическим затратам на синтез аминокислот. Действительно, выгоднее получать готовый продукт, чем производить его самому. Поэтому организмы, потребляющие незаменимые аминокислоты, тратят примерно на 20% энергии меньше, чем те, которые синтезируют все аминокислоты. С другой стороны, в ходе эволюции не сохранилось таких форм жизни, которые бы полностью зависели от поступления всех аминокислот извне. Им трудно было бы приспосабливаться к изменениям внешней среды, учитывая, что аминокислоты являются материалом для синтеза такого вещества, как белок, без которого жизнь невозможна.

Физико-химические свойства аминокислот

Кислотно-основные свойства аминокислот . По химическим свойствам аминокислоты - амфотерные электролиты, т. е. сочетают свойства и кислот, и оснований.

Кислотные группы аминокислот: карбоксильная (-СООН -> -СОО - + Н +), протонированная α-аминогруппа (-NH + 3 -> -NН 2 + Н +).

Основные группы аминокислот: диссоциированная карбоксильная (-СОО - + Н + -> -СООН) и α-аминогруппа (-NН 2 + Н + -> NН + 3).

Для каждой аминокислоты имеется как минимум две константы кислотной диссоциации рК а - одна для группы -СООН, а вторая для α-аминогруппы.

В водном растворе возможно существование трех форм аминокислот (рис. 1.)

Доказано, что в водных растворах аминокислоты находятся в виде диполя; или цвиттер-иона.

Влияние рН среды на ионизацию аминокислот . Изменение рН среды от кислой до щелочной влияет на заряд растворенных аминокислот. В кислой среде (рН<7) все аминокислоты несут положительный заряд (существуют в виде катиона), так как избыток протонов в среде подавляет диссоциацию карбоксильной группы:

В кислой среде аминокислоты в электрическом поле движутся к катоду.

В щелочной среде (рН>7), где имеется избыток ионов ОН - , аминокислоты находятся в виде отрицательно заряженных ионов (анионов), так как диссоциирует NН + 3 -группа:

В этом случае аминокислоты перемещаются в электрическом поле к аноду.

Следовательно, в зависимости от рН среды аминокислоты имеют суммарный нулевой, положительный или отрицательный заряд.

Состояние, в котором заряд аминокислоты равен нулю, называется изоэлектрическим. Значение рН, при котором наступает такое состояние и аминокислота не перемещается в электрическом поле ни к аноду, ни к катоду, называется изоэлектрической точкой и обозначается рН I . Изоэлектрическая точка очень точно отражает кислотно-основные свойства разных групп в аминокислотах и является одной из важных констант, характеризующих аминокислоту.

Изоэлектрическая точка неполярных (гидрофобных) аминокислот приближается к нейтральному значению рН (от 5,5 для фенилаланина до 6,3 для пролина), у кислых она имеет низкие значения (для глутаминовой кислоты 3,2, для аспарагиновой 2,8). Изоэлектрическая точка для цистеина и цистина равна 5,0, что указывает на слабые кислотные свойства этих аминокислот. У основных аминокислот - гистидина и особенно лизина и аргинина - изоэлектрическая точка значительно выше 7.

В клетках и межклеточной жидкости организма человека и животных рН среды близка к нейтральной, поэтому основные аминокислоты (лизин, аргинин) несут суммарный положительный заряд (катионы), кислые аминокислоты (аспарагиновая и глутаминовая) имеют отрицательный заряд (анионы), а остальные существуют в виде диполя. Кислые и основные аминокислоты больше гидратированы, чем все остальные аминокислоты.

Стереоизомерия аминокислот

Все протеиногенные аминокислоты, за исключением глицина, имеют как минимум один асимметрический атом углерода (С*) и обладают оптической активностью, причем большая часть их относится к левовращающим. Они существуют в виде пространственных изомеров, или стереоизомеров. По расположению заместителей вокруг асимметрического атома углерода стерео-изомеры относят к L- или D-ряду.

L- и D-изомеры относятся друг к другу как предмет и его зеркальное изображение, поэтому их называют также зеркальными изомерами или энантиомерами. Аминокислоты треонин и изолейцин имеют по два асимметрических атома углерода, поэтому у них по четыре стереоизомера. Например, у треонина, помимо L- и D-треонина, имеется еще два, которые называют диастереомерами или аллоформами: L-аллотреонин и D-аллотреонин.

Все аминокислоты, входящие в состав белков, относятся к L-ряду. Считалось, что D-аминокислоты не встречаются в живой природе. Однако были найдены полипептиды в виде полимеров D-глутаминовой кислоты в капсулах спороносных бактерий (палочке сибирской язвы, картофельной и сенной палочке); D-глутаминовая кислота и D-аланин входят в состав мукопептидов клеточной стенки некоторых бактерий. D-Аминокислоты обнаружены также в антибиотиках, продуцируемых микроорганизмами (см. табл. 3).

Возможно, D-аминокислоты оказались более пригодными для защитных функций организмов (именно этой цели служат и капсула бактерий, и антибиотики), в то время как L-аминокислоты нужны организму для построения белков.

Распространение отдельных аминокислот в разных белках

К настоящему времени расшифрован аминокислотный состав многих белков микробного, растительного и животного происхождения. Наиболее часто в белках находят аланин, глицин, лейцин, серии. Однако каждый белок имеет свой аминокислотный состав. Например, протамины (простые белки, находящиеся в молоках рыб) содержат до 85% аргинина, но в них отсутствуют циклические, кислые и серусодержащие аминокислоты, треонин и лизин. Фиброин - белок натурального шелка, содержит до 50% глицина; в состав коллагена - белка сухожилий - входят редкие аминокислоты (гидроксилизин, гидроксипролин), которые отсутствуют в остальных белках.

Аминокислотный состав белков определяется не доступностью или незаменимостью той или иной аминокислоты, а назначением белка, его функцией. Последовательность расположения аминокислот в белке обусловлена генетическим кодом.

Аминокислотами называются карбоновые кислоты, содержащие аминогруппу и карбоксильную группу. Природные аминокислоты являются 2-аминокарбоновыми кислотами, или α-аминокислотами, хотя существуют такие аминокислоты как β-аланин, таурин, γ-аминомасляная кислота. Обобщенная формула α-аминокислоты выглядит так:

У α-аминокислот при 2 атоме углерода имеются четыре разных заместителя, то есть все α-аминокислоты, кроме глицина, имеют асимметрический (хиральный) атом углерода и существуют в виде двух энантиомеров – L- и D-аминокислот. Природные аминокислоты относятся к L-ряду. D-аминокислоты встречаются в бактериях и пептидных антибиотиках.

Все аминокислоты в водных растворах могут существовать в виде биполярных ионов, причем их суммарный заряд зависит от рН среды. Величина рН, при которой суммарный заряд равен нулю, называется изоэлектрической точкой. В изоэлектрической точке аминокислота является цвиттер-ионом, то есть аминная группа у нее протонирована, а карбоксиль-ная – диссоциирована. В нейтральной области рН большинство аминокислот являются цвиттер-ионами:

Аминокислоты не поглощают свет в видимой области спектра, ароматические аминокислоты поглощают свет в УФ области спектра: триптофан и тирозин при 280 нм, фенилаланин – при 260 нм.

Для аминокислот характерны некоторые химические реакции, имеющие большое значение для лабораторной практики: цветная нингидриновая проба на α-аминогруппу, реакции, характерные для сульфгидрильных, фенольных и других групп радикалов аминокислот, ацелирование и образование оснований Шиффа по аминогруппам, этерификация по карбоксильным группам.

Биологическая роль аминокислот:

1) являются структурными элементами пептидов и белков, так называемые протеиногенные аминокислоты. В состав белков входят 20 аминокислот, которые кодируются генетическим кодом и включаются в белки в про-цессе трансляции, некоторые из них могут быть фосфорилированы, ацилированы или гидроксилированы;

2) могут быть структурными элементами других природных соединений – коферментов, желчных кислот, антибиотиков;

3) являются сигнальными молекулами. Некоторые из аминокислот являются нейромедиаторами или предшественниками нейромедиаторов, гормонов и гистогормонов;

4) являются важнейшими метаболитами, например, некоторые аминокислоты являются предшественниками алкалоидов растений, или служат донорами азота, или являются жизненно важными компонентами питания.

Классификация протеиногенных аминокислот основана на строении и на полярности боковых цепей:

1. Алифатические аминокислоты:

Глицин, гли , G, Gly

Аланин, ала , А, Ala

Валин, вал , V, Val*

Лейцин, лей , L, Leu*

Изолейцин, иле, I, Ile*

Эти аминокислоты не содержат в боковой цепи гетероатомов, циклических группировок и характеризуется отчетливо выраженной низкой полярностью.

Цистеин, цис , C, Cys

Метионин, мет , M, Met*

3. Ароматические аминокислоты:

Фенилаланин, фен , F, Phe*

Тирозин, тир , Y, Tyr

Триптофан, три , W, Trp*

Гистидин, гис , H, His

Ароматические аминокислоты содержат мезомерные резонансно стабилизированные циклы. В этой группе только аминокислота фенилаланин проявляет низкую полярность, тирозин и триптофан характеризуются заметной, а гистидин – даже высокой полярностью. Гистидин может быть отнесен также к основным аминокислотам.

4. Нейтральные аминокислоты:

Серин, сер , S, Ser

Треонин, тре , T, Thr*

Аспарагин, асн, N, Asn

Глутамин, глн, Q, Gln

Нейтральные аминокислоты содержат гидроксильные или карбоксамидные группы. Хотя амидные группы неионогенны, молекулы аспарагина и глута-мина высоко полярны.

5. Кислые аминокислоты:

Аспарагиновая кислота (аспартат), асп , D, Asp

Глутаминовая кислота (глутамат), глу, E, Glu

Карбоксильные группы боковых цепей кислых аминокислот полностью ионизированы во всем диапазоне физиологических значений рН.

6. Основные аминокислоты:

Лизин, лиз, K, Lys*

Аргинин, арг , R, Arg

Боковые цепи основных аминокислот полностью протонированы в нейтраль-ной области рН. Сильно основной и очень полярной аминокислотой является аргинин, содержащий гуанидиновую группировку.

7. Иминокислота:

Пролин, про , P, Pro

Боковая цепь пролина состоит из пятичленного цикла, включающего α-углеродный атом и α-аминогруппу. Поэтому пролин, строго говоря, является не амино-, а иминокислотой. Атом азота в кольце является слабым основанией и не протонируется при физиологических значениях рН. Благодаря циклической структуре пролин вызывает изгибы полипептидной цепи, что очень существенно для структуры коллагена.

Некоторые из перечисленных аминокислот не могут синтезироваться в организме человека и должны поступать вместе с пищей. Это незаменимые аминокислоты отмечены звездочками.

Как было указано выше, протеиногенные аминокислоты являются предшественниками некоторых ценных биологически активных молекул.

Два биогенных амина β-аланин и цистеамин входят в состав кофермента А (коферменты – производные водорастворимых витаминов, образующие активный центр сложных ферментов). β-Аланин образуется путем декарбоксилирования аспарагиновой кислоты, а цистеамин путем декарбоксилирования цистеина:

β-аланин цистеамин

Остаток глутаминовой кислоты входит в состав другого кофермента – тетрагидрофолиевой кислоты, производного витамина В с.

Другими биологически ценными молекулами являются конъюгаты желчных кислот с аминокислотой глицином. Эти конъюгаты являются более сильными кислотами, чем базовые, образуются в печени и присутствуют в желчи в виде солей.

Гликохолевая кислота

Протеиногенные аминокислоты являются предшественниками некоторых антибиотиков – биологически активных веществ, синтезируемых микроорганизмами и подавляющих размножение бактерий, вирусов и клеток. Наиболее известными из них являются пенициллины и цефалоспорины, составляющие группу β-лактамных антибиотиков и продуцирумые плесенью рода Penicillium . Для них характерно наличие в структуре реакционноспособного β-лактамного кольца, с помощью которого они ингибируют синтез клеточных стенок грамотрицательных микроорганизмов.

Общая формула пенициллинов

Из аминокислот путем декарбоксилирования получаются биогенные амины – нейромедиаторы, гормоны и гистогормоны.

Аминокислоты глицин и глутамат сами по себе являются нейромедиаторами в центральной нервной системе.

дофамин (нейромедиатор) норадреналин (нейромедиатор)

адреналин (гормон) гистамин (медиатор и гистогормон)

серотонин (нейромедиатор и гистогормон) ГАМК (нейромедиатор)

Тироксин (гормон)

Производным аминокислоты триптофана является наиболее известный из встречающихся в природе ауксин – индолилуксусная кислота. Ауксины – это регуляторы роста растений, они стимулируют дифференцировку растущих тканей, рост камбия, корней, ускоряют рост плодов и опадение старых листьев, их антагонистами является абсцизовая кислота.

Индолилуксусная кислота

Производными аминокислот также являются алкалоиды – природные азотсодержащие соединения основного характера, образующиеся в расте-ниях. Данные соединения являются исключительно активными физиологическими соединениями, широко используемыми в медицине. Примерами алкалоидов могут служить производное фенилаланина папаверин, изохинолиновый алкалоид мака снотворного (спазмолитик), и производное триптофана физостигмин, индольный алкалоид из калабар-ских бобов (антихолинэстеразный препарат):

папаверин физостигмин

Аминокислоты являются чрезвычайно популярными объектами биотехнологии. Существует множество вариантов химического синтеза аминокислот, однако в результате получаются рацематы аминокислот. Так как для пищевой промышленности и медицины пригодны только L-изомеры аминокислот, рацемические смеси необходимо разделять на энантиомеры, что представляет серьезную проблему. Поэтому более популярен биотехнологический подход: ферментативный синтез с помощью иммобилизированных ферментов и микробиологический синтез с помощью целых микробных клеток. В обоих последних случаях получаются чистые L-изомеры.

Аминокислоты используются как пищевые добавки и компоненты кормов. Глутаминовая кислота усиливает вкус мяса, валин и лейцин улучшают вкус хлебобулочных изделий, глицин и цистеин используются в качестве антиоксидантов при консервировании. D-триптофан может быть заменителем сахара, так как во много раз его слаще. Лизин добавляют в корм сельскохозяйственным животным, так как большинство растительных белков содержит малое количество незаменимой аминокислоты лизина.

Аминокислоты широко используются в медицинской практике. Это такие аминокислоты как метионин, гистидин, глутаминовая и аспарагиновая кислоты, глицин, цистеин, валин.

В последнее десятилетие аминокислоты начали добавлять в космети-ческие средства по уходу за кожей и волосами.

Химически модифицированные аминокислоты также широко используются в промышленности в качестве поверхностно-активных веществ в синтезе полимеров, при производстве моющих средств, эмульгаторов, добавок к топливу.

БЕЛКИ

Белки – это высокомолекулярные вещества, состоящие из аминокислот, соединенных пептидной связью.

Именно белки являются продуктом генетической информации, передаваемой из поколения в поколение, и осуществляют все процессы жизнедеятельности в клетке.

Функции белков:

1. Каталитическая функция. Наиболее многочисленную группу белков составляют ферменты – белки с каталитической активностью, ускоряющие химические реакции. Примерами ферментов являются пепсин, алкогольдегидрогеназа, глутаминсинтетаза.

2. Структурообразующая функция. Структурные белки отвечают за поддер-жание формы и стабильности клеток и тканей, к ним относятся кератины, коллаген, фиброин.

3. Транспортная функция. Транспортные белки переносят молекулы или ионы из одного органа в другой или через мембраны внутри клетки, например, гемоглобин, сывороточный альбумин, ионные каналы.

4. Защитная функция. Белки системы гомеостаза защищают организм от возбудителей болезней, чужеродной информации, потери крови – иммуноглобулины, фибриноген, тромбин.

5. Регуляторная функция. Белки осуществляют функции сигнальных веществ – некоторых гормонов, гистогормонов и нейромедиаторов, являются рецепторами к сигнальным веществам любого строения, обеспечивают дальнейшую передачу сигнала в биохимических сигнальных цепях клетки. Примерами могут служить гормон роста соматотропин, гормон инсулин, Н- и М-холинорецепторы.

6. Двигательная функция. С помощью белков осуществляются процессы сокращения и другого биологического движения. Примерами могут служить тубулин, актин, миозин.

7. Запасная функция. В растениях содержатся запасные белки, являющиеся ценными пищевыми веществами, в организмах животных мышечные белки служат резервными питательными веществами, которые мобилизуются при крайней необходимости.

Для белков характерным является наличие нескольких уровней структурной организации.

Первичной структурой белка называют последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи. Пептидная связь – это карбоксамидная связь между α-карбоксильной группой одной аминокислоты и α-аминогруппой другой аминокислоты.

Аланилфенилаланилцистеилпролин

У пептидной связи есть несколько особенностей:

а) она резонансно стабилизирована и поэтому находится практически в одной плоскости – планарна; вращение вокруг связи С-N требует больших затрат энергии и затруднено;

б) у связи -CO-NH- особый характер, она меньше, чем обычная, но больше, чем двойная, то есть существует кето-енольная таутомерия:

в) заместители по отношению к пептидной связи находятся в транс -положении;

г) пептидный остов окружен разнообразными по своей природе боковыми цепями, взаимодействуя с окружающими молекулами растворителя, свободные карбоксильные и аминогруппы ионизируются, образуя катионные и анионные центры молекулы белка. В зависимости от их соотношения белковая молекула получает суммарный положительный или отрицательный заряд, а также характеризуется тем или иным значением рН среды при достижении изоэлектрической точки белка. Радикалы образуют солевые, эфирные, дисульфидные мостики внутри молекулы белка, а также определяют круг реакций, свойственных белкам.

В настоящее время условились считать белками полимеры, состоящие из 100 и более аминокислотных остатков, полипептидами – полимеры, состоящие из 50-100 аминокислотных остатков, низкомолекулярными пептидами – полимеры, состоящие из менее 50 аминокислотных остатков.

Некоторые низкомолекулярные пептиды играют самостоятельную биологическую роль. Примеры некоторых таких пептидов:

Глутатион – γ-глу-цис-гли – один из наиболее широко распространен-ных внутриклеточных пептидов, принимает участие в окислительно-восстановительных процессах в клетках и переносе аминокислот через биологические мембраны.

Карнозин – β-ала-гис – пептид, содержащийся в мышцах животных, устраняет продукты перекисного расщепления липидов, ускоряет процесс распада углеводов в мышцах и в виде фосфата вовлекается в энергетический обмен в мышцах.

Вазопрессин – гормон задней доли гипофиза, участвующий в регуля-ции водного обмена организма:

Фаллоидин – ядовитый полипептид мухомора, в ничтожных концентрациях вызывает гибель организма вследствие выхода ферментов и ионов калия из клеток:

Грамицидин – антибиотик, действующий на многие грамположительные бактерии, изменяет проницаемость биологических мембран для низкомолекулярных соединений и вызывает гибель клеток:

Мет -энкефалин – тир-гли-гли-фен-мет – пептид, синтезирующийся в нейронах и ослабляющий болевые ощущения.

Вторичная структура белка – это пространственная структура, образующаяся в результате взаимодействий между функциональными группами пептидного остова.

Пептидная цепь содержит множество СО- и NH-групп пептидных связей, каждая из которых потенциально способна участвовать в образовании водородных связей. Существуют два главных типа структур, которые позволяют это осуществить: α-спираль, в которую цепь свертывается как шнур от телефонной трубки, и складчатая β-структура, в которой бок о бок уложены вытянутые участки одной или нескольких цепей. Обе эти структуры весьма стабильны.

α-Спираль характеризуется предельно плотной упаковкой скрученной полипептидной цепи, на каждый виток правозакрученной спирали приходится 3,6 аминокислотных остатка, радикалы которых направлены всегда наружу и немного назад, то есть в начало полипептидной цепи.

Основные характеристики α-спирали:

1) α-спираль стабилизируется водородными связями между атомом водорода при азоте пептидной группы и карбонильным кислородом остатка, отстоящего от данного вдоль цепи на четыре позиции;

2) в образовании водородной связи участвуют все пептидные группы, это обеспечивает максимальную стабильность α-спирали;

3) в образовании водородных связей вовлечены все атомы азота и кислорода пептидных групп, что в значительной мере снижает гидрофильность α-спиральных областей и увеличивает их гидрофобность;

4) α-спираль образуется самопроизвольно и является наиболее устойчивой конформацией полипептидной цепи, отвечающей минимуму свободной энергии;

5) в полипептидной цепи из L-аминокислот правая спираль, обычно обнаруживаемая в белках, намного стабильнее левой.

Возможность образования α-спирали обусловлена первичной структурой белка. Некоторые аминокислоты препятствуют закручиванию пептидного остова. Например, расположенные рядом карбоксильные группы глутамата и аспартата взаимно отталкиваются друг от друга, что препятствует образованию водородных связей в α-спирали. По этой же причине затруднена спирализация цепи в местах близко расположенных друг к другу положительно заряженных остатков лизина и аргинина. Однако наибольшую роль в нарушении α-спирали играет пролин. Во-первых, в пролине атом азота входит в состав жесткого кольца, что препятствует вращению вокруг связи N-C, во-вторых, пролин не образует водородную связь из-за отсутствия водорода при атоме азота.

β-складчатость – это слоистая структура, образуемая водородными связями между линейно расположенными пептидными фрагментами. Обе цепи могут быть независимыми или принадлежать одной молекуле полипептида. Если цепи ориентированы в одном направлении, то такая β-структура называется параллельной. В случае противоположного направления цепей, то есть когда N-конец одной цепи совпадает с С-концом другой цепи, β-структура называется антипараллельной. Энергетически более предпочтительна антипараллельная β-складчатость с почти линейными водородными мостиками.

параллельная β-складчатость антипараллельная β-складчатость

В отличие от α-спирали, насыщенной водородными связями, каждый участок цепи β-складчатости открыт для образования дополнительных водородных связей. Боковые радикалы аминокислот ориентированы почти перпендикулярно плоскости листа попеременно вверх и вниз.

В тех участках, где пептидная цепь изгибается достаточно круто, часто находится β-петля. Это короткий фрагмент, в котором 4 аминокислотных остатка изгибаются на 180 о и стабилизируются одним водородным мостиком между первым и четвертым остатками. Большие аминокислотные радикалы мешают образованию β-петли, поэтому в нее чаще всего входит самая маленькая аминокислота глицин.

Надвторичная структура белка – это некоторый специфический порядок чередования вторичных структур. Под доменом понимают обособленную часть молекулы белка, обладающую в определенной степени структурной и функциональной автономией. Сейчас домены считают фундаментальными элементами структуры белковых молекул и соотношение и характер компоновки α-спиралей и β-слоев дает для понимания эволюции белковых молекул и филогенетических связей больше, чем сопоставление первичных структур. Главной задачей эволюции является конструирование все новых белков. Бесконечно мал шанс случайно синтезировать такую аминокислотную последовательность, которая бы удовлетворила условиям упаковки и обеспечила выполнение функциональных задач. Поэтому часто встречаются белки с различной функцией, но сходные по структуре настолько, что кажется, что они имели одного общего предка или произошли друг от друга. Похоже, что эволюция, столкнувшись с необходимостью решить определенную задачу, предпочитает не конструировать для этого белки сначала, а приспособить для этого уже хорошо отлаженные структуры, адаптируя их для новых целей.

Некоторые примеры часто повторяющихся надвторичных структур:

1) αα’ – белки, содержащие только α-спирали (миоглобин, гемоглобин);

2) ββ’ – белки, содержащие только β-структуры (иммуноглобулины, супероксиддисмутаза);

3) βαβ’ – структура β-бочонка, каждый β-слой расположен внутри бочонка и связан с α-спиралью, находящейся на поверхности молекулы (триозофосфоизомераза, лактатдегидрогеназа);

4) «цинковый палец» – фрагмент белка, состоящий из 20 аминокислотных остатков, атом цинка связан с двумя остатками цистеина и двумя гистидина, в результате чего образуется «палец» из примерно 12 амино-кислотных остатков, может связываться с регуляторными участками молекулы ДНК;

5) «лейциновая застежка-молния» – взаимодействующие белки имеют α-спиральный участок, содержащий по крайней мере 4 остатка лейцина, они расположены через 6 аминокислот один от другого, то есть находятся на поверхности каждого второго витка и могут образовывать гидрофобные связи с лейциновыми остатками другого белка. С помощью лейциновых застежек, например, молекулы сильноосновных белков гистонов могут объединяться в комплексы, преодолевая положительный заряд.

Третичная структура белка – это пространственное расположение молекулы белка, стабилизируемое связями между боковыми радикалами аминокислот.

Типы связей, стабилизирующих третичную структуру белка:

электростатическое водородные гидрофобные дисульфидные

взаимодействие связи взаимодействия связи

В зависимости от складывания третичной структуры белки можно классифицировать на два основных типа – фибриллярные и глобулярные.

Фибриллярные белки – нерастворимые в воде длинные нитевидные молекулы, полипептидные цепи которых вытянуты вдоль одной оси. В основном это структурные и сократительные белки. Несколько примеров самых распространенных фибриллярных белков:

1. α-Кератины. Синтезируются клетками эпидермиса. На их долю приходится почти весь сухой вес волос, шерсти, перьев, рогов, ногтей, когтей, игл, чешуи, копыт и черепашьего панциря, а также значительная часть веса наружного слоя кожи. Это целое семейство белков, они сходны по аминокислотному составу, содержат много остатков цистеина и имеют одинаковое пространственное расположение полипептидных цепей. В клетках волос полипептидные цепи кератина сначала организуются в волокна, из которых затем формируются структуры наподобие каната или скрученного кабеля, заполняющего в конце концов все пространство клетки. Клетки волос становятся при этом уплощенными и, наконец, отмирают, а клеточные стенки образуют вокруг каждого волоса трубчатый чехол, называемый кутикулой. В α-кератине полипептидные цепи имеют форму α-спирали, скручены одна вокруг другой в трехжильный кабель с образованием поперечных дисульфидных связей. N-концевые остатки расположены с одной стороны (параллельны). Кератины нерастворимы в воде из-за преобладания в их составе аминокислот с неполярными боковыми радикалами, которые обращены в сторону водной фазы. При химической завивке происходят следующие процессы: вначале путем восстановления тиолами разрушаются дисульфидные мостики, а затем при придании волосам необходимой формы их высушивают нагреванием, при этом за счет окисления кислородом воздуха образуются новые дисульфидные мостики, которые сохраняют форму прически.

2. β-Кератины. К ним относятся фиброин шелка и паутины. Представляют из себя антипараллельные β-складчатые слои с преобладанием глицина, аланина и серина в составе.

3. Коллаген. Самый распространенный белок у высших животных и главный фибриллярный белок соединительных тканей. Коллаген синтезируется в фибробластах и хондроцитах – специализированных клетках соединительной ткани, из которых затем выталкивается. Коллагеновые волокна находятся в коже, сухожилиях, хрящах и костях. Они не растяги-ваются, по прочности превосходят стальную проволоку, коллагеновые фибриллы характеризуются поперечной исчерченностью. При кипячении в воде волокнистый, нерастворимый и неперевариваемый коллаген превращается в желатин в результате гидролиза некоторых ковалентных связей. Коллаген содержит 35% глицина, 11% аланина, 21% пролина и 4-гидроксипролина (аминокислоты, свойственной только для коллагена и эластина). Такой состав определяет относительно низкую питательную ценность желатина как пищевого белка. Фибриллы коллагена состоят из повторяющихся полипептидных субъединиц, называемых тропоколлагеном. Эти субъединицы уложены вдоль фибриллы в виде параллельных пучков по типу «голова к хвосту». Сдвинутость головок и придает характерную поперечную исчерченность. Пустоты в этой структуре при необходимости могут служить местом отложения кристаллов гидроксиапатита Са 5 (ОН)(РО 4) 3 , играющего важную роль в минерализации костей.

Тропоколлагеновые субъединицы состоят из трех полипептидных цепей, плотно скрученных в виде трехжильного каната, отличающегося от α- и β-кератинов. В одних коллагенах все три цепи имеют одинаковую аминокислотную последовательность, тогда как в других идентичны только две цепи, а третья отличается от них. Полипептидная цепь тропоколлагена образует левую спираль, на один виток которой приходится только три аминокислотных остатка из-за изгибов цепи, обусловленной пролином и гидроксипролином. Три цепи связаны между собой кроме водородных связей связью ковалентного типа, образующейся между двумя остатками лизина, находящимися в соседних цепях:

По мере того как мы становимся старше, в тропоколлагеновых субъединицах и между ними образуется все большее число поперечных связей, что делает фибриллы коллагена более жесткими и хрупкими, и это изменяет механические свойства хрящей и сухожилий, делает более ломкими кости и понижает прозрачность роговицы глаза.

4. Эластин. Содержится в желтой эластичной ткани связок и эластическом слое соединительной ткани в стенках крупных артерий. Основная субъединица фибрилл эластина – тропоэластин. Эластин богат глицином и аланином, содержит много лизина и мало пролина. Спиральные участки эластина растягиваются при натяжении, но возвращаются при снятии нагрузки к исходной длине. Остатки лизина четырех разных цепей образуют ковалентные связи между собой и позволяют эластину обратимо растягиваться во всех направлениях.

Глобулярные белки – белки, полипептидная цепь которых свернута в компактную глобулу, способны выполнять самые разнообразные функции.

Третичную структуру глобулярных белков удобнее всего рассмотреть на примере миоглобина. Миоглобин – это относительно небольшой кислород-связывающий белок, присутствующий в мышечных клетках. Он запасает связанный кислород и способствует его переносу в митохондрии. В молекуле миоглобина находится одна полипептидная цепь и одна гемогруппа (гем) – комплекс протопорфирина с железом. Основные свойства миоглобина:

а) молекула миоглобина настолько компактна, что внутри нее может уместиться всего 4 молекулы воды;

б) все полярные аминокислотные остатки, за исключением двух, расположены на внешней поверхности молекулы, причем все они находятся в гидратированном состоянии;

в) большая часть гидрофобных аминокислотных остатков расположена внутри молекулы миоглобина и, таким образом, защищена от соприкосно-вения с водой;

г) каждый из четырех остатков пролина в молекуле миоглобина находится в месте изгиба полипептидной цепи, в других местах изгиба расположены остатки серина, треонина и аспарагина, так как такие аминокислоты препятствуют образованию α-спирали, если находятся друг с другом;

д) плоская гемогруппа лежит в полости (кармане) вблизи поверхности молекулы, атом железа имеет две координационные связи, направленные перпендикулярно плоскости гемма, одна из них связана с остатком гистидина 93, а другая служит для связывания молекулы кислорода.

Начиная с третичной структуры белок становится способным выполнять свойственные ему биологические функции. В основе функционирования белков лежит то, что при укладке третичной структуры на поверхности белка образуются участки, которые могут присоединять к себе другие молекулы, называемые лигандами. Высокая специфичность взаимодействия белка с лигандом обеспечивается комплементарностью структуры активного центра структуре лиганда. Комплементарность – это пространственное и химическое соответствие взаимодействующих поверхностей. Для большей части белков третичная структура – максимальный уровень укладки.

Четвертичная структура белка – характерна для белков, состоящих из двух и более полипептидных цепей, связанных между собой исключительно нековалентными связями, в основном электростатическими и водородными. Чаще всего белки содержат две или четыре субъединицы, более четырех субъединиц обычно содержат регуляторные белки.

Белки, имеющие четвертичную структуру, часто называются олигомерными. Различают гомомерные и гетеромерные белки. К гомо-мерным относятся белки, у которых все субъединицы имеют одинаковое строение, например, фермент каталаза состоит их четырех абсолютно одинаковых субъединиц. Гетеромерные белки имеют разные субъединицы, например, фермент РНК-полимераза состоит из пяти разных по строению субъединиц, выполняющих разные функции.

Взаимодействие одной субъединицы со специфическим лигандом вызывает конформационные изменения всего олигомерного белка и изменяет сродство других субъединиц к лигандам, это свойство лежит в основе способности олигомерных белков к аллостерической регуляции.

Четвертичную структуру белка можно рассмотреть на примере гемоглобина. Содержит четыре полипептидных цепи и четыре простетические группы гема, в которых атомы железа находятся в закисной форме Fe 2+ . Белковая часть молекулы – глобин – состоит из двух α-цепей и двух β-цепей, содержащих до 70% α-спиралей. Каждая из четырех цепей имеет характерную для нее третичную структуру, с каждой цепью связана одна гемогруппа. Гемы разных цепей сравнительно далеко расположены друг от друга и имеют разный угол наклона. Между двумя α-цепями и двумя β-цепями образуется мало прямых контактов, тогда как между α- и β-цепями возникают многочисленные контакты типа α 1 β 1 и α 2 β 2 , образованные гидрофобными радикалами. Между α 1 β 1 и α 2 β 2 остается канал.

В отличие от миоглобина гемоглобин характеризуется значительно более низким сродством к кислороду, что позволяет ему при существующих в тканях низких парциальных давлениях кислорода отдавать им значительную часть связанного кислорода. Кислород легче связывается железом гемоглобина при более высоких значениях рН и низкой концентрации СО 2 , свойственные альвеолам легких; освобождению кислорода из гемоглобина благоприятствуют более низкие значения рН и высокие концентрации СО 2 , свойственные тканям.

Кроме кислорода гемоглобин переносит ионы водорода, которые связываются с остатками гистидина в цепях. Также гемоглобин переносит углекислый газ, который присоединяет к концевой аминогруппе каждой из четырех полипептидных цепей, в результате чего образуется карбаминогемоглобин:

В эритроцитах в достаточно больших концентрациях присутствует вещество 2,3-дифосфоглицерат (ДФГ), его содержание увеличивается при подъеме на большую высоту и при гипоксии, облегчая высвобождение кислорода из гемоглобина в тканях. ДФГ располагается в канале между α 1 β 1 и α 2 β 2 , взаимодействуя с положительно зараженными группами β-цепей. При связывании гемоглобином кислорода ДФГ вытесняется из полости. В эритроцитах некоторых птиц содержится не ДФГ, а инозитолгекса-фосфат, который еще больше снижает сродство гемоглобина к кислороду.

2,3-дифосфоглицерат (ДФГ)

HbA – нормальный гемоглобин взрослого человека, HbF – фетальный гемоглобин, имеет большее сродство к О 2 , HbS – гемоглобин при серповидноклеточной анемии. Серповидноклеточная анемия – это серьезное наследственное заболевание, связанное с генетической аномалией гемоглобина. В крови больных людей наблюдается необычно большое количество тонких серповидных эритроцитов, которые, во-первых, легко разрываются, во-вторых, закупоривают кровеносные капилляры. На молеку-лярном уровне гемоглобин S отличается от гемоглобина А по одному аминокислотному остатку в положении 6 β-цепей, где вместо остатка глутаминовой кислоты находится валин. Таким образом, гемоглобин S содержит на два отрицательных заряда меньше, появление валина приводит к возникновению «липкого» гидрофобного контакта на поверхности молекулы, в результате при дезоксигенации молекулы дезоксигемоглобина S слипаются и образуют нерастворимые аномально длинные нитевидные агрегаты, приводящие к деформации эритроцитов.

Нет никаких оснований думать, что существует независимый генетический контроль за формированием уровней структурной организации белка выше первичного, поскольку первичная структура определяет и вторичную, и третичную, и четвертичную (если она имеется). Нативной конформацией белка является термодинамически наиболее устойчивая в данных условиях структура.

Аминокислоты, белки и пептиды являются примерами соединений, описанных далее. Многие биологически активные молекулы включают несколько химически различных функциональных групп, которые могут взаимодействовать между собой и с функциональными группа друг друга.

Аминокислоты.

Аминокислоты - органические бифункциональные соединения, в состав которых входит карбоксильная группа -СООН , а аминогруппа - NH 2 .

Разделяют α и β - аминокислоты:

В природе встречаются в основном α -кислоты. В состав белков входят 19 аминокислот и ода иминокислота (С 5 Н 9 NO 2 ):

Самая простая аминокислота - глицин. Остальные аминокислоты можно разделить на следующие основные группы:

1) гомологи глицина - аланин, валин, лейцин, изолейцин.

Получение аминокислот.

Химические свойства аминокислот.

Аминокислоты - это амфотерные соединения, т.к. содержат в своём составе 2 противоположные функциональные группы - аминогруппу и гидроксильную группу. Поэтому реагируют и с кислотами и с щелочами:

Кислотно-основные превращение можно представить в виде:

Среди многообразия аминокислот только 20 участвует во внутриклеточном синтезе белков (протеиногенные аминокислоты ). Также в организме человека обнаружено еще около 40 непротеиногенных аминокислот. Все протеиногенные аминокислоты являются α- аминокислотами и на их примере можно показать дополнительные способы классификации.

По строению бокового радикала

Выделяют

• алифатические (аланин, валин, лейцин, изолейцин, пролин, глицин),
• ароматические (фенилаланин, тирозин, триптофан),
• серусодержащие (цистеин, метионин),
• содержащие ОН-группу (серин, треонин, опять тирозин),
• содержащие дополнительную СООН-группу (аспарагиновая и глутаминовая кислоты),
• дополнительную NH 2 -группу (лизин, аргинин, гистидин, также глутамин, аспарагин).

Обычно названия аминокислот сокращаются до 3-х буквенного обозначения. Профессионалы в молекулярной биологии также используют однобуквенные символы для каждой аминокислоты.

Строение протеиногенных аминокислот

По полярности бокового радикала

Существуют неполярные аминокислоты (ароматические, алифатические) и полярные (незаряженные, отрицательно и положительно заряженные).

По кислотно-основным свойствам

По кислотно-основным свойствам подразделяют нейтральные (большинство), кислые (аспарагиновая и глутаминовая кислоты) и основные (лизин, аргинин, гистидин) аминокислоты.

По незаменимости

По необходимости для организма выделяют такие, которые не синтезируются в организме и должны поступать с пищей – незаменимые аминокислоты (лейцин, изолейцин, валин, фенилаланин, триптофан, треонин, лизин, метионин). К заменимым относят такие аминокислоты, углеродный скелет которых образуется в реакциях метаболизма и способен каким-либо образом получить аминогруппу с образованием сответствующей аминокислоты. Две аминокислоты являются условно незаменимыми (аргинин, гистидин), т.е. их синтез происходит в недостаточном количестве, особенно это касается детей.