Учебное пособие для студентов заочной формы обучения 2 страница

Метионин ,мет (a-амино-g-

метилмасляная кислота) Фенилаланин, фен (a-амино-b-

фенилпропионовая кислота)

7 . NH₂-CH-COOH

½ 8.

СН₂ ¾ COOH

NH ê

Триптофан, три (a-амино-b- Пролин, про (пирролидин-

индолилпропионовая кислота) карбоновая кислота)

А м и н о к и с л о т ы с н е п о л я р н ы м и н е з а р я ж е н н ы м и R-г р у п п а м и. Эти аминокислоты лучше растворяются в воде, т.е. они более гидрофильны, чем неполярные аминокислоты, т.к. их радикалы имеют группы, способные образовывать водородные связи с молекулами воды . В эту группу входят пять аминокислот и два амида:

1. NH₂-CH-COOH 2. NH₂-CH-COOH

½ ½

Н СН₂

Глицин, гли (аминоуксус- ½

ная кислота) ОН

Серин, сер (a-амино-b-гидрокси-

пропионовая кислота)

3. NH₂-CH-COOH 4. NH₂-CH-COOH

½ ½

СН₂СН-ОН

½ ½

SH СН₃

Цистеин, цис (a-амино-b- Треонин, тре (a-амино-b-гидрокси-

тиопропионовая кислота) масляная кислота)

5. NH₂-CH-COOH 6. NH₂-CH-COOH

½ ½

СН₂СН₂

ô ½

С=О

½ NH₂

ОН

Тирозин, тир (a-амино-b-пара- Аспарагин, асн (b-амид аспараги-

гидроксифенилпропионовая новой кислоты, или полуамид a-

кислота) аминоянтарной кислоты)

7. NH₂-CH-COOH

(СН₂)₂

С=О

NH₂

Глутамин, глн (g-амид глутаминовой

кислоты, или полуамид a-аминоглута-

ровой кислоты).

R-группа глицина, представленная атомом водорода, не может компенсировать сильную полярность a-аминогруппы и a-карбоксильной группы. Тиоловая группа цистеина и гидроксильная группа тирозина, диссоциирующие с образованием водорода, при рН 7,0 ионизированы в незначительной степени.

Аспарагин и глутамин в водных растворах практически нейтральны, т.к. свзяи С-N в амидах имеют частично двоесвязный характер из-за взаимодействия неподеленной пары азота с карбонильной группой:

R-C =О ¾® R - С =О

÷ï ÷ï

NH₂ ⁺ NH₂

^·^·

А м и н о к и с л о т ы с о т р и ц а т е л ь н о з а р я ж е н н ы м и (кислыми) R- г р у п п а м и. Каждая из аминокислот этой группы содержит вторую карбоксильную группу, диссоциирующую с образованием ионов Н⁺ и при рН 7 несет суммарный отрицательный заряд. В группу входят две аминокислоты:

1. NH₂-CH-COOH 2. NH₂-CH-COOH

½ ½

СН₂(СН₂)₂

½ ½

СООН СООН

Аспарагиновая кислота, Глутаминовая кислота,

асп (a-аминоянтарная глу (a-аминоглутаровая

кислота) кислота)

А м и н о к и с л о т ы с п о л о ж и т е л ь н о з а р я ж е н н ы м и (основными) R - г р у п п а м и. К этой группе относят три следующие аминокислоты:

1. NH₂-CH-COOH 2. NH₂-CH-COOH

½ ½

(СН₂)₄ (СН₂)₃

½ ½

NH₂ NH

Лизин, лиз (a,e-диамино- ½

капроновая кислота) C = NH

NH₂

Аргинин, арг (a-амино-d-

гуанидинвалериановая кислота)

3. NH₂-CH-COOH

СН₂

NH N

Гистидин, гис (a-амино-b-имидазол-

пропионовая кислота)

Эти аминокислоты в радикалах имеют группы, способные принимать ион Н⁺. Такими группами служат: в радикале лизина e-аминогруппа, в радикале аргинина - гуанидиновая группа, в радикале гистидина - имидазольное кольцо.

1. NH₂ ¾C¾ NH 2.

÷ ç

⁺ NH₂ NH ⁺NH

положительно заряженная

гуанидиновая группа ра- положительно заряженное имида-

дикала аргинина зольное кольцо радикала гистидина

3. ⁺NH₃ - положительно заряженная аминогруппа радикала лизина.

Все основные аминокислоты несут суммарный положительный

Н е з а м е н и м ы е а м и н о к и с л о т ы. Растения и некоторые микроорганизмы могут синтезировать все аминокислоты, нужные им для построения клеточных белков. Животный организм способен синтезировать только около половины аминокислот, необходимых ему для построения белков своего тела. Эти аминокислоты получили название з а м е н и м ы е. Остальные десять протеиногенных аминокислот животные организмы синтезировать не могут и должны получать их с пищей. Эти аминокислоты называют н е з а м е н и м ы м и или о б я з а т е л ь н ы м и. К ним принадлежат: валин, изолейцин, метионин, лейцин, лизин, треонин, триптофан, фенилаланин, аргинин и гистидин. Отсутствие или недостаток в пище каких-либо незаменимых аминокислот приводит к угрожающим жизни явлениям (задержка роста, расстройство биосинтеза белков, возникновение заболеваний и т.п.).

С понятиями заменимые и незаменимые аминокислоты связаны понятия п о л н о ц е н н ы е и н е п о л н о ц е н н ы е белки. Полноценными называют белки, содержащие все незаменимые аминокислоты. Белки, не содержащие хотя бы одну незаменимую аминокислоту, называют н е п о л н о ц е н н ы м и. На основании аминокислотного состава суммарного белка данного пищевого продукта можно говорить лишь о его меньшей или большей биологической ценности. Б и о л о г и ч е с к а я ц е н н о с т ь б е л к а - это интегральный показатель, который определяется качеством (аминокислотным составом ) и количеством белка в рационе, переваримостью белка в желудочно-кишечном тракте, скоростями всасывания аминокислот и последующим использованием их на нужды организма. Высокую биологическую ценность имеют белок куриного яйца и белок молока. Эти белки содержат незаменимые аминокислоты не только в достаточном количестве, но и в необходимом для человека соотношении. Если принять биологическую ценность белков молока или яйца (их называют идеальными белками) за 100%, то для белков мяса и рыбы она будет составлять в среднем 90-95%, белков клубней картофеля - 85%, белков бобовых культур - 75-85%, белков пшеницы и ячменя - 60 - 70 %. Низкая ценность многих белков связана с небольшим содержанием в них незаменимых аминокислот (главным образом лизина, метионина, триптофана и треонина).

2.3. Строение и пространственная структура белковой молекулы

2.3.1. Химические связи в молекуле белка

Многочисленными исследованиями установлено, что в молекуле белка имеются следующие типы связей: пептидные, дисульфидные, водородные, ионные (солевые), гидрофобное взаимодействие.

П е п т и д н а я с в я з ь. Взаимодействие аминогруппы одной аминокислоты с карбоксильной группой другой сопровождается выделе-нием молекулы воды. Реакция, идущая с выделением воды, называется реакцией к о н д е н с а ц и и , а возникающая ковалентная азот-углеродная ( -СО - NH- ) связь - п е п т и д н о й (амидной) связью:

NH₂-CH-COOH + NH₂-CH-COOH ® NH₂ -CH-CO-NH-CH-COOH + H₂ O

½ ½ ½ ½

R R₁ R R₁

Образование пептидной связи в белках происходит только за счет взаимодействия a-аминогруппы и a-карбоксильной группы аминокислот. Соединение, образованное в результате конденсации двух аминокислот, называют дипептидом. На одном конце его молекулы находится свободная a-аминогруппа, а на другом - свободная a-карбоксильная группа. Благодаря этому к дипептиду можно присоединить еще одну аминокислоту и получить трипептид и т.д.

Аминокислотные звенья, входящие в состав пептида называют а м и н о к и с л о т н ы м и остатками.

Д и с у л ь ф и д н а я с в я з ь. Эта прочная ковалентная связь образуется в результате окисления SH-групп двух, рядом расположенных радикалов цистеина:

¾NH¾CH¾CO¾ ¾NH¾CH¾CO¾

ï ï

CH₂CH₂

ï ï

SH - 2Н S

SH + 2Н S

ï ï

CH₂CH₂

ï ï

¾NH¾CH¾CO¾ ¾NH¾CH¾CO¾

Дисульфидные связи могут возникать как между разными полипептидными цепями, так и между различными участками одной и той же полипептидной цепи.

В о д о р о д н а я с в я з ь. Это особый вид химической связи, в которой атом водорода, ковалентно связанный с одним из электроотрицательных атомов, образует дополнительную связь с соседним электроотрицательным атомом. Известно несколько типов водородных связей:

¾О¾Н••••О=С = =NН••••О=С =

¾О¾Н••••N = = NН••••О=

¾О¾Н••••О= = NН••••N =

Различают межмолекулярные и внутримолекулярные водородные связи.

И о н н а я (солевая) с в я з ь. При определенном значении рН ионизированная аминогруппа может взаимодействовать с ионизированной карбоксильной группой, в результате чего возникает и о н н а я или с о л е в а я связь:

ê ê

NH NH

ê + _ ê

CH-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-NH₃•••OOC -CH₂-CH₂-CH

ê ê

CO CO

ê ê

остаток лизина остаток глутаминовой кислоты

Эта связь образуется как между положительно заряженными группами радикалов аминокислот, так и NH₂ и СООН - группами свободных концов полипептидных цепей. Ионные связи легко разрываются при изменении рН среды.

Г и д р о ф о б н ы е в з а и м о д е й с т в и я. Это особый вид слабых межмолекулекулярных сил, действующих только между неполярными молекулами (и радикалами) и только в водной среде. Суть гидрофобного взамодействия состоит в том, что две или большее число неполярных групп (например, радикалы валина, лейцина, аланина), сближаясь друг с другом, могут образовывать такую неполярную фазу молекулярного масштаба, из которой вытеснены все молекулы воды.

2.3.2. Пептиды

Аминокислоты, соединяясь друг с другом при помощи пептидных связей, образуют пептиды. По числу аминокислотных остатков, содержащихся в пептиде, различают ди- , три-, тетра-, ... нона-, декапептиды и т.д. Пептиды, в молекулах которых меньше 10 аминокислотных остатков, условно относят к о л и г о п е п т и д а м; пептиды, построенные из большего числа аминокислотных остатков (до ~ 50) - к п о л и п е п т и д а м.

Свободные пептиды обладают высокой биологической активностью. Многие из них служат гормонами (химические вещества, участвующие в регуляции обмена веществ и функционировании органов и тканей), некоторые представлениы сильнейшими ядами (яды змей, жаб, насекомых, высших грибов, микроорганизмов), антибиотиками (химические вещества, вырабатываемые одними микроорганизмами и “убивающие” другие микроорганизмы), регуляторами клеточного деления, регуляторами психической деятельности, переносчиками молекул и ионов через клеточные мембраны.

Приведенная формула соответствует так называемому восстановлен-ному глутатиону (SH-глутатион). В клетках наряду с восстановленным глутатионом всегда присутствует окисленный глутатион (-S-S-глутатион), состоящий из двух молекул восстановленного глутатиона, соединенных дисульфидной (-S-S-)- связью, которая образовалась в результате отнятия от каждой SH-группы по одному водороду:

- 2 Н

2 Г - SH ¾¾® Г- S-S -Г

SH - глутатион S-S - глутатион

Восстановление окисленного глутатиона происходит за счет источников водорода, вырабатываемых в процессе обмена веществ в организме.

Глутатион - сильный внутриклеточный восстановитель и его основная функция состоит в том, чтобы защитить SH-группы белков от окисления и тем самым сохранить биологическую функцию белков. Глутатион выполняет специфическую роль при восстановлении пероксида водорода и аскорбиновой кислоты, служит небелковой группой отдельных белков - ферментов, играет определенную роль в транспорте аминокислот через мембрану клеток, активирует протеолитические ферменты.

2.3.3. Полипептидная теория строения белков

В последующие годы было предложено еще несколько разнообразных теорий строения белковых веществ, но лишь одна из них - п о л и п е п т и д н а я т е о р и я с т р о е н и я б е л к о в - предложенная Э.Фишером в 1902г., выдержала испытание временем.

Согласно пептидной теории основой структуры белковой молекулы признана полипептидная цепь. Эта цепь построена из нескольких десятков, а иногда и сотен остатков аминокислот, связанных между собой пептидными связями.

В самой общей форме полипетидную цепь можно изобразить следующим образом:

R₁R₃

ê ê

NH₂-CH-CO-NH-CH-CO -NH-CH-CO............ -NH-CH-COОН

ê ê

R₂ R_n

Граница между полипептидами и белками проведена условно. К белкам относят полипептиды с молекулярной массой 6 тысяч и более и числом аминокислотных остатков свыше 50. Такой принцип деления основан на способности к диализу через природные мембраны.

Белковая молекула может состять из одной или нескольких полипептидных цепей. Цепи могут быть соединены между собой ковалентными или нековалентными связями. Белки, состоящие из двух или нескольких полипептидных цепей, не связанных между собой ковалентными связями, называют о л и г о м е р н ы м и. Отдельные полипептидные цепи в таких белках называют п р о т о м е р а м и; функционально активные части белка - с у б ъ е д и н и ц а м и.

2.3.4. Пространственная структура белковой молекулы

Полипептидная цепь нативного белка (белка, сохранившего структуру присущую ему в живой клетке) в нормальных биологических условиях - обычная температура и нейтральные значения рН имеет, как правило, одну к о н ф о р м а ц и ю, называемую н а т и в н о й (натуральной, естественной). Эта нативная конформация достаточно устойчива. Существуют первичная, вторичная, третичная и , введенная в 1958 г. Берналом, четвертичная структура белковой молекулы. Рассмотрим каждую из этих структур. П е р в и ч н а я с т р у к т у р а - это число и последовательность расположенния аминокислотных остатков, образующих полипептидную цепь белковой молекулы. Для первичной структуры характерны только ковалентные связи (включая и дисульфидные мостики) и поэтому ее обозначают как ковалентную структуру.

Белки отличаются друг от друга по первичной струтуре. Соединяя аминокислоты в различном порядке, можно получить почти бесконечное число последовательностей и , значит, почти бесконечное множество разнообразных белков. также идентичны цитохромы С коровы, овцы и свиньи. Следовательно, первичная структура гомологичных белков может быть применена в качестве критерия для установления родства между отдельными видами живых существ.

Первичная структура белков - основа для определения более высоких уровней их пространственной организации.

В т о р и ч н а я с т р у к т у р а - это способ укладки остова (стержня, хребта) полипептидной цепи без учета укладки радикалов. Она включает два различных типа регулярных структур, встречающихся во многих белках: спиральные структуры и структуры складчатого слоя (листа).

Из спиральных структур признанной является a-спираль (спираль Полинга и Кори). Она стабилизирована водородными связями, образованными между находящимися поблизости СО- и NH-группами пептидных связей данной полипептидной цепи. При этом кислород каждой СО-группы образует водородную связь с водородом четвертой по ходу цепи NH-группой. Благодаря a-спирали белковая молекула напоминает растянутую пружину (рис 2.1). Один виток спирали включает 3,6 остатка аминокислот (11 атомов полипептидной цепи), высота одного витка по оси (шаг спирали) равна »0,54 нм, вертикальный прирост, соответствующий одному аминокислотному остатку, составляет 0,15 нм; внутренний диаметр спирали равен 1,01 нм. Водородные связи приблизительно параллельны оси спирали.

Другой тип вторичной структуры - b-структура (или структура складчатого листа) стабилизирован водородными связями, возникающими между СО- и NH-группами прилегающих друг к другу различных полипептидных цепей или различных участков одной и той же полипептидной цепи.

Рис. 2.1. Структура a-спирали. А. Показаны a-атомы углерода. Соединяющая их линия описывает a-спираль. Б. Часть a-спирали в растянутом виде. Спираль стабилизирована водородными связями.

В пространственном представлении b-структура обнаруживает “плиссированность” (складчатость), причем радикалы аминокислотных остатков стоят попеременно с разных сторон складчатого листа (рис 2.2). В зависимости от взаимного положения атомов в разных цепях или участках одной цепи возможно существование двух типов складчатого листа. Если обе цепи направлены в одну сторону, такое расположение называют п а р а л л е л ь н ы м, если цепи направлены в противоположные стороны - а н т и п а р а л л е л ь н ы м.

Рис 2.2. Структура складчатого листа.

А.Показано расположение на листах атомов двух антипараллельных полипептидных цепей. Б. Схематическое изображение структуры складчатого листа. Водородные связи между СО- и NH-группами обозначены пунктиром.

Т р е т и ч н а я с т р у к т у р а - это способ компактного расположения в пространстве всех атомов и групп полипептидной цепи, имеющей вторичную структуру. Эта структура трехмерна и характеризует конформацию молекулы белка в целом. В стабилизации третичной структуры участвуют водородные связи как между пептидными группами, так и радикалами аминокислотных остатков, ионные дисульфидные связи, гидрофобное взаимодействие и некоторые другие связи (рис 2.3).

Важное значение в формировании третичной структуры белковой молекулы имеют последовательность аминокислотных остатков полипептидной цепи, размер, форма и полярность радикалов аминокислотных остатков. При формировании третичной структуры большая часть гидрофобных радикалов располагается внутри белковой молекулы; полярные (гидрофильные) радикалы находятся на ее поверхности, т.е. поверхность молекулы белка преимущественно гидрофильна.

Рис 2.3.Схема третичной структуры белка.

1.Водородные связи b-структуры. 2.Водородные связи между R-группами аминокислотных остатков. 3. Водородные связи a-спирали. 4. Гидрофобные взаимодействия. 5. Солевые (ионные) связи. 6. Дисульфидные связи.

Ч е т в е р т и ч н а я с т р у к т у р а. Белки, имеющие молекулярную массу более 50000 состоят из двух или нескольких отдельных полипептидных цепей и называются л и г о м е р н ы м и. Ранее указывалось, что отдельные полипептидные цепи в таких белках называют п р о т о м е р а м и, а функциональные части - с у б ъ е д и н и ц а м и. Субъединицы могут состоять из одной или более полипептидных цепей. Каждая из полипептидных цепей, образующих субъединицу, характеризуется своей первичной, вторичной и третичной структурами.

Наиболее часто в составе олигомерных белков содержится 2 или 4 протомера, реже - от 6 до 12 или 24 и в редчайших случаях их число может быть нечетным. Между собой отдельные протомеры соединяются водородными, ионными, гидрофобными и другими нековалентыми связями.

Способ совместной упаковки и укладки в пространстве полипептидных цепей олигомерного белка в его нативной конформации называют ч е т в е р т и ч н о й с т р у к т у р о й. Эта структура олигомерных белков определяется первичной структурой, входящих в их состав протомеров.

Классическим примером белка, для которого методом рентгено-структурного анализа М.Перуц и его сотрудники установили третичную и четвертичную структуры, является г е м о г л о б и н. Молекула гемоглобина состоит из четырех полипептидных цепей - двух a-цепей (по 141 остатку) и двух b-цепей (по 146 остатков аминокислот), каждая из которых связана с небелковым железосодержащим веществом - г е м о м ( рис 2.5). При образовании единой молекулы гемоглобина одинаковые цепи ( a - a и b - b) мало соприкасаются и между ними осуществляется лишь ион-ионное взаимодействие конце-вых групп. В то же время между a- и b-цепями образуется большое число неполярных и водородных связей. При этом в образовании связей меж-ду a₁ и b₁ ( a₂ и b₂) димерами участвуют 34 боковых остатака, а между a₁ и b₂ ( a₂ и b₁) - лишь 19 остатков.

Рис.2.5.Схема строения гемоглобина. Прямоугольником обозначен гем.

То обстоятельство, что крупные молекулы белков состоят обычно из нескольких полипептидных цепей, а не из одной очень длинной цепи, дает ряд преимуществ: при их биосинтезе требуется значительно меньшая генетическая информация (меньший участок структурного гена ДНК), чем при большой одноцепочечной молекуле; сводятся к минимуму появления случайных ошибок при их биосинтезе, становятся возможными регуляторные взаимодействия.

2.4. Физико-химичекие свойства белков

2.4.1. Молекулярная масса белков. Размеры молекул белка

Молекулярные массы белков колеблются от ~ 6 000 (условно принятый нижний предел) до 1 000 000 и выше.

Молекулярные массы белков определяют с помощью специальных методов: по скорости осаждения в центробежном поле, по скорости диффузии белков в растворителе, по осмотическому давлению, на основании рентгеноструктурного анализа и др.

Белки относят к высокомолекулярным соединениям, так как их молекулярные массы колеблются от нескольких тысяч до миллионов. Размеры молекул белков составляют 1- 100 нм и соответствуют размерам частиц высокодисперсных систем. Молекулы белков вследствие необычайно больших размеров называют макромолекулами.

2.4.2. Амфотерные свойства и изоэлектрическая точка белков

Макромолекулы белков несут на своей поверхности большое количество карбоксильных и аминных групп, что придает им свойства амфотерных полиэлектролитов. Карбоксильные группы, способные к диссоциации с образованием протонов (Н⁺), определяют кислотные свойства молекулы белка; аминогруппы, способные присоединять протоны, определяют ее основные свойства.

Соотношение между количеством кислых и основных группировок варьирует у различных белков. Белки, в которых преобладают кислые группировки, имеют при рН 7 (или близких к 7) суммарный отрицательный заряд и их называют кислыми; белки, в которых преобладают основные группировки, имеют при указанных значениях рН положительный заряд и их называют основными. В живых организмах преобладают кислые белки.

В растворе молекулы белков могут менять свой заряд в зависимости от рН среды:

₊ _-_{+ O + +}