содержание      ..     3      4      5      6     ..

АМИНОКИСЛОТНЫЙ СОСТАВ БЕЛКОВ (СТАТИЧЕСКАЯ БИОХИМИЯ)

Белки и их функции

Белки ‒ это высокомолекулярные азотсодержащие соединения, состоящие из аминокислот, соединенных пептидной связью (-CО-NН-). Белки называют также протеинами (от гр. protos ‒ первый, важнейший).

Каждый белок характеризуется специфической аминокислотной последовательностью и индивидуальной пространственной структурой (конформацией). На долю белков приходится не менее 50% сухой массы органических соединений животной клетки. В организме человека насчитывается до 5 млн. различных видов белков. Белковая молекула может состоять из одной или нескольких цепей, содержащих от пятидесяти до нескольких сотен (иногда ‒ более тысячи) аминокислотных остатков. Молекулы, содержащие менее пятидесяти аминокислотных остатков, называют пептидами. В нативном состоянии белковые макромолекулы обладают специфической конформацией. Характерная для данного белка конформация определяется последовательностью аминокислотных остатков и стабилизируется водородными связями между пептидными и боковыми группами аминокислотных остатков, а также электростатическими и гидрофобными взаимодействиями.

В настоящее время широкое развитие при изучении структуры и функции белков получили структурная геномика, протеомика и биоинформатика. Геномика – комплексная наука, изучающая геномы живых организмов. Структурная геномика исследует содержание и организацию геномной информации. Протеомика как наука сформировалась на основе структурной геномики. Термин «протеомика» происходит от двух слов PROTEins (белки) и genOME (геном). Слово «протеин» является производным от греческого «proteios» – первоначальный. Это подчеркивает ключевую роль белков в реализации всех жизненных процессов, происходящих в биосфере. Протеомику можно определить как отрасль биологической науки, изучающую экспрессированные геномом белки: их состав, структуру, функциональные свойства, механизмы регуляции активности, взаимодействия белков. Если целью геномики является инвентаризация генов, т. е. информационного материала клетки, то одной из основных целей современной протеомики является инвентаризация протеома – совокупности белков организма. В научной печати упоминание о протеоме впервые появилось в 1995 г. Следовательно, протеомика как наука сформировалась позже геномики и на ее основе.

Важное место в изучении структуры белков занимает биоинформатика. Биоинформатика – наука, занимающаяся изучением биологической информации с помощью математических, статистических и компьютерных методов. Биоинформатика как наука появилась на стыке молекулярной биологии, генетики, математики и компьютерных технологий. Ее основная задача – разработка вычислительных алгоритмов для анализа и систематизации данных о структуре и функциях нуклеиновых кислот и белков. Биоинформатика позволяет с помощью специальных компьютерных программ анализировать и обобщать научные результаты, полученные при исследовании протеома, предсказывать функции генов и зашифрованных в них белков, строить модели межбелкового взаимодействия, осуществлять дизайн белковых молекул.

Функции белков

Ферментативная. Белки катализируют реакции обмена веществ (пищеварение, дыхание и др.), мышечного сокращения, нервной проводимости.

Строительная. Структурные белки составляют основу костной и соединительной тканей, шерсти, роговых образований, формируют остов клеточных органелл (митохондрий, мембран и др.).

Сократительная. При посредстве белков сократительной системы (актина и миозина) по единому механизму осуществляются расхождение хромосом при делении клетки, движение жгутиков, работа мышц животных и человека.

Регуляторная. Регуляторные белки контролируют биосинтез белка и нуклеиновых кислот. К регуляторным белкам относятся также пептидно-белковые гормоны, которые секретируются эндокринными железами.

Рецепторная. С помощью специальных рецепторных белков наружной поверхности плазматической мембраны клеткой воспринимаются информация о состоянии внешней среды, различные регуляторные сигналы.

Транспортная. Транспортные белки, или белки-переносчики, участвуют в активной транспортировке ионов, липидов, сахаров и аминокислот через биологические мембраны.

Защитная. Защитные белки, к которым относятся иммуноглобулины, формируют защитные системы высших организмов. К защитным белкам относятся белки комплемента, отвечающие за лизис чужеродных клеток и активацию иммунологической функции, белки системы свертывания крови (тромбин, фибрин) и противовирусный белок интерферон.

Специальная. При участии белков биоэнергетической системы (например, родопсин, цитохромы) происходят преобразование и утилизация энергии, поступающей в организм с питанием, а также энергии солнечного излучения.

Питательная. Пищевые и запасные белки (казеин, проламины) играют важную роль в развитии и функционировании организмов.

Элементарный состав белков

Каждый белок (или смесь функционально связанных белков) характеризуется отличным от других белков элементарным составом, однако все белки обязательно содержат пять элементов: азот, углерод, кислород, водород и серу. Их содержание в разных белках колеблется и составляет: углерода – 51-55%; кислорода – 21,5-23,5%; водорода – 6-7%; азота – 15-17,6%; серы – 0,3-2,5%. Обязательно присутствие углерода, водорода, кислорода и азота объясняется тем, что они входят в состав всех аминокислот. Большое отличие содержания серы в отдельных белках объясняется тем, что она входит в состав отдельных аминокислот (метионин, цистеин), содержание которых в разных белках различно.

Среднюю величину содержания азота в белках (16%) используют для расчета поступления белков с пищей и определения расхода белков организмом. Зная суммарное поступление азота с пищей или величину его выведения из организма в составе всех азотсодержащих конечных продуктов обмена, можно определить поступление или расход белка организмом. Для этого азот пищи или конечных продуктов обмена умножают на коэффициент 6,25 (100/16=6,35). Например, 15 г азота конечных продуктов обмена соответствует 93,75 г белка.

В состав некоторых белков входят фосфор, железо, медь, цинк, йод и некоторые другие элементы.

Методы выделения и очистки белков

Для подробного исследования физико-химических и биологических свойств белков, а также изучения их химического состава и структуры непременным условием является получение белков в химически чистом, гомогенном состоянии. Последовательность операций по выделению белков такова: измельчение биологического материала (гомогенизация), извлечение белков (перевод их в растворенное состояние ‒ экстракция), выделение исследуемого белка из смеси других (очистка и получение индивидуального белка).

Обычные методы органической химии, применяемые для выделения веществ из смеси (нагревание, перегонка, возгонка, кристаллизация и др.) для белков неприемлемы, т.к. белки чувствительны к повышению температуры и действию многих химических реагентов (органические растворители, кислоты, щелочи). При повышении температуры белки подвергаются денатурации (теряют нативные свойства, в частности, растворимость, биологическую активность), поэтому разработаны эффективные методы выделения белков  в «мягких» условиях при низкой температуре (не выше 4°С), с применением щадящих нативную структуру химических реагентов.

Все методы разделения смесей основаны на том, что разделяемые компоненты в результате каких-либо манипуляций оказываются в разных участках системы и могут быть механически отделены друг от друга.

Выделение индивидуальных белков является ступенчатым процессом, т.к. на первых этапах очистки фракции содержат множество примесей. На каждой ступени разделения должна получаться фракция, более богатая необходимым веществом, чем предыдущая. Такой процесс называют фракционированием.

На каждой стадии разделения белок должен находиться либо в виде раствора, либо в виде осадка.

Для осаждения с помощью дегидратации необходимо понизить растворимость белка. Растворимость белка зависит от их способности к гидратации. У глобулярных водорастворимых белков высокий уровень гидратации обеспечивается расположением гидрофильных групп на поверхности. 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. Этот метод 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 изоэлектрическом осаждении заряд белков обусловлен остатками аспаратата и глутамата (отрицательный заряд) и остатками лизина и аргинина (положительный заряд). По мере повышения рН различными способами заряд белков проходит от положительных к отрицательным значениям и в изоэлектрической точке оказывается равен нулю. В результате белок лишается своей ионной атмосферы и его частицы слипаются, выпадая в осадок.

При центрифугировании выпавший осадок белка можно выделить фильтрованием. Частицы осажденного вещества под действием центробежной силы оседают на дне центрифужных стаканов и сжимаются в плотный осадок, с которого оставшийся раствор (надосадочная жидкость, или супернатант) легко сливается или отсасывается. Скоростные центрифуги (ультрацентрифуги) создают центробежное ускорение порядка 105g (т.е. 105 ускорений свободного падения), что позволяет осаждать даже некоторые крупные надмолекулярные агрегаты ‒ рибосомы и вирусы.

Сорбция основана на различном сродстве компонентов смесей к определенным веществам ‒ сорбентам. Наиболее часто используемый сорбент ‒ гель фосфата кальция (гидроксиапатит), или активированный уголь. Эффективную сорбцию можно получить на ионитах-сорбентах, имеющих на поверхности заряженные группы. В исходном состоянии эти заряды скомпенсированы какими-либо подвижными противоионами. Практически при сорбции на ионитах происходит обмен этих противоионов. Если на поверхности сорбента находятся отрицательно заряженные группы, он связывает катионы и его называют катионитом. Соответственно сорбент с положительно заряженными группами называют анионитом. В качестве ионитов (после соответствующей химической обработки) чаще всего используют материалы  на гидрофильной основе: целлюлозе, декстране, силикагеле или пористых стеклах.

Молекулярные сита представляют собой материалы с очень маленькими порами определенного размера. Следует отметить отличие этих «сит»: крупные частицы не остаются на поверхности материала «сита», а обтекают его частички (гранулы), тогда как мелкие вещества примесей диффундируют в частицы сита и таким образом задерживаются. Материалом для молекулярных сит могут служить сефадекс (полисахарид декстран, у которого после соответствующей обработки цепи оказываются сшитыми трехуглеродными мостиками) или полиакриламид, линейные цепи которого сшиты метиленовыми мостиками.

При перечисленных методах в конечной смеси остаются вспомогательные низкомолекулярные вещества ‒ органические растворители, соли и кислоты. Для очищения от них используется метод диализа. Он основан на применении мембран, проницаемых для воды и низкомолекулярных веществ и непроницаемых для белков. Чаще всего с этой целью используют пленки из целлофана (нитрат целлюлозы). В лаборатории подлежащий диализу раствор белка помещают в мешок из целлофана и погружают в сосуд с водой. Непрерывный ток воды через сосуд приводит к полному переходу в него всех проходящих через целлофан веществ, а белки остаются внутри.

Аминокислотный состав белков

Структурным компонентом белковой молекулы является аминокислота. Аминокислотами называются органические кислоты, содержащие одну или несколько аминогрупп. В зависимости от положения аминогруппы по отношению к карбоксилу различают α-, β- и γ-аминокислоты:

              α-аминомасляная         β-аминопропионовая      γ-аминомасляная

Все аминокислоты, за исключением глицина, имеют хиральный (асимметричный) центр, вследствие чего обладают оптической активностью. Хиральный центр ‒ атом углерода аминокислоты (у протеиногенных аминокислот это α-углерод), при котором имеются 4 разных заместителя:

1.      радикал аминокислоты (-R);

2.      карбоксильная группа (-СООН);

3.      аминогруппа (-NH₂);

4.      атом водорода (-Н).

Конфигурация при асимметрическом углероде с максимальным номером определяет принадлежность к D- (аминогруппа справа) или L- (аминогруппа слева) ряду подобно тому, как в пространстве располагаются заместители у глицеринового альдегида. Аминокислоты, имеющие асимметрию, сходную с D-глицеральдегидом, относят к D-аминокислотам, аминокислоты, имеющие асимметрию, сходную с L-глицеральдегидом – к L-аминокислотам.

                                                  L-аминокислота        D-аминокислота

D- и L-изомеры ‒ зеркальные изомеры соответствующей аминокислоты, называемые энантиомерами. Рацемическая смесь ‒ смесь энантиомеров в равных мольных долях, не обладающая оптической активностью. D-изомеры аминокислот сладкие, L-изомеры ‒ горькие или безвкусные. В составе белков млекопитающих имеются только L-изомеры. D-изомеры, наряду с L-изомерами, встречаются только у некоторых бактерий.

Химические свойства аминокислот

Поскольку аминокислоты имеют в своем составе как кислотную, так и основную группы, они способны реагировать и с кислотами, и с основаниями. Аминокислоты являются амфотерными органическими соединениями. В определенных условиях (например, при воздействии определенных ферментов) аминокислоты способны реагировать друг с другом. Связь, которой соединены остатки аминокислот, называется пептидной, а соединение, состоящее из двух остатков аминокислот, – дипептидом. Трипептиды, тетрапептиды и т.д. – полипептиды.

Дипептид

Как уже отмечалось, аминокислоты являются амфотерными соединениями, т.к. как содержат и кислотный (-COOH), и основной (-NH₂) центры. Следовательно, в нейтральной и близкой к ней среде они существуют в виде внутренних солей (биполярных ионов, или цвиттер-ионов).

Кроме того, некоторые аминокислоты содержат в радикале дополнительные функциональные группы, способные к ионизации.

Основные аминокислоты в водном растворе дают щелочную реакцию и несут положительный заряд:

Кислые аминокислоты в водном растворе проявляют кислотные свойства и обладают отрицательным зарядом:

На диссоциацию аминокислот оказывает влияние pH среды. В очень кислых растворах группа -NH₂ протонирована полностью, а COOH-группа практически не ионизирована. В сильно щелочных растворах ‒ наоборот: при значениях pH от 4 до 9 каждая из диссоциирующих групп находится в равновесии со своей неионизированной формой, а обе группы вместе находятся в равновесии с биполярным ионом:

Амфотерные свойства аминокислот проявляются и в их способности образовывать соли, реагируя как с кислотами, так и с основаниями:

Еще одним проявлением амфотерности является способность аминокислот образовывать окрашенные растворимые комплексные соединения с Cu²⁺:

Если сумма зарядов на аминокислоте равна нулю, то значение рН носит название изоэлектрической точки (pI).

При нагревании в сухом виде различные аминокислоты ведут себя по разному. Так, α-аминокислоты образуют циклические дипептиды ‒ дикетопиразины:

В отличие от них, β-аминокислоты претерпевают дезаминирование:

СН₃-СН₂-СН(NH₂)-CH₂-COOH → СН₃-СН=СН-CH₂-COOH + NH₃

γ-аминокислоты превращаются в циклические внутримолекулярные пептиды ‒ лактамы:

Аминокислоты хорошо растворимы в воде, малорастворимы в органических растворителях; хорошо кристаллизуются; имеют высокую плотность и исключительно высокую температуру плавления. Эти свойства указывают на взаимодействие аминных и кислотных групп, вследствие чего аминокислоты в твёрдом состоянии и в растворе (в широком интервале рН) находятся в цвиттер-ионной форме. Взаимное влияние групп особенно ярко проявляется у α-аминокислот, где обе группы находятся в непосредственной близости.

Классификация аминокислот, заменимые и незаменимые

аминокислоты

Все аминокислоты отличаются характером радикала, который может быть ациклическим или циклическим. В состав радикала может дополнительно входить вторая карбоксильная группа (такие аминокислоты называются моноаминодикарбоновые) или две аминных группы (диаминомонокарбоновые). В составе отдельных аминокислот могут находиться гидроксильные (серин, треонин), сульфгидрильная (цистеин) и метильная (метионин) группы.

Большинство аминокислот, участвующих в обменных процессах и входящих в состав белков, могут поступать с пищей или синтезироваться в организме в процессе обмена (из других аминокислот, поступающих в избытке). Они называются заменимыми. Некоторые аминокислоты не могут синтезироваться в организме и должны поступать с пищей – это незаменимые аминокислоты. Таких аминокислот девять (гистидин, триптофан, фенилаланин, лизин, метионин, треонин, изолейцин, лейцин, валин).

Практически все белки построены из двадцати α-аминокислот, принадлежащих (за исключением глицина) к L-ряду (табл.5.1).

                                                                                                                      Таблица 5.1.

Протеиногенные аминокислоты

Примечание: ** − Н ‒ незаменимая; ПЗ − полузаменимая; остальные – заменимые.

Аминокислоты классифицируются по:

1) строению; 2) характеру заряженности; 3) заменимости-незаменимости.

Классификация по строению:

1. моноаминомонокарбоновые

2. диаминомонокарбоновые (лизин, аргинин, цитруллин)

3. моноаминодикарбоновые (аспарагиновая и глутаминовая кислоты)

4. диаминодикарбоновые (цистин).

Название аминокислот по номенклатуре IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry − Международный союз чистой и прикладной химии) формируется так, как у карбоновых кислот вообще, с перечислением заместителей, например, имеющихся в углеродной цепи. Лизин, имеющий строение NH₂-(CH₂)₄-CH(NH₂)-COOH будет называться 2,6-диаминогексановой, серин − 2-амино-3-гидроксипропановой. На практике названия по номенклатуре IUPAC по отношению к протеиногенным аминокислотам не применяют, обходясь исторически сложившимися тривиальными названиями. Исключение составляют лишь аспарагиновая и глутаминовая кислоты, для которых часто используют названия «аспартат» и «глутамат».

Очень важным свойством аминокислот является строение бокового радикала R, поскольку остальная часть молекулы, включающая карбоксильную группу, аминогруппу, ассиметричный атом углерода и водород для всех протеиногенных аминокислот совершенно одинакова: CH(NH₂)-COOH.

Наличие в боковом радикале R функциональных групп, таких, как сульфгидрильная –SH, карбаминовая H₂N-C(=O)-, гидроксильная HO-, аминогруппа H₂N-, карбоксильная HOOC- и другие, оказывает решающее влияние не только на формирование вторичной, третичной и четвертичной структур белковой молекулы, но и на ее биологические функции. В водных средах при различных значениях рН эти группы отвечают за величину электрических зарядов белковой молекулы, ее растворимость и ряд других физико-химических свойств. Например, замена одного аминокислотного остатка (глутаминовой кислоты в положении 6) в полипептидной цепи субъединицы гемоглобина на остаток валина приводит к такому изменению свойств молекулы гемоглобина, что это вызывает патологию, называемую «серповидноклеточной анемией».

По характеру заряженности боковых радикалов аминокислоты подразделяют на:

неполярные гидрофобные (Гли, Ала, Вал, Лей, Иле, Про, Фен, Тир, Три, Мет);

полярные, но незаряженные (Сер, Тре, Цис, Асн, Глн);

полярные с отрицательным зарядом (Асп, Глу);

полярные с положительным зарядом (Лиз, Арг, Гис).

В зависимости от того, могут ли аминокислоты синтезироваться в организме или должны поступать в составе пищи, различают:

заменимые;

незаменимые (лейцин, изолейцин, валин, лизин, гистидин, метионин, фенилаланин, треонин, триптофан). В детском возрасте также незаменимой является аминокислота аргинин.

Для человека Арг, Тир − полузаменимые, а для курицы − незаменимые.

содержание      ..     3      4      5      6     ..