Белки и полипептиды
БЕЛКИ И ПОЛИПЕПТИДЫ
Белки играют исключительно важную роль в живой природе. Жизнь немыслима без различных по строению и функциям белков. Белки - это биополимеры сложного строения, макВнромолекулы (протеины) которых, состоят из остатков аминокислот, соединенВнных между собой амидной (пептидной) связью. Кроме длинных полимерных цепей, построенных из остатков аминокислот (полипептидных цепей), в макромолекулу белка могут входить также остатВнки или молекулы других органических соединений. На одном кольце каждой пептидной цепи имеется свободная или ацилированная аминогруппа, на другом - свободная или амидированная карбоксильная группа.
Конец цепи с аминогруппой называется М-концом, конец цепи с карбоксильной группой тАФ С-концом пептидной цепи. Между СО-групВнпой одной пептидной группировки и NH-группой другой пептидной группировки могут легко образовываться водородные связи.
Группы, входящие в состав радикала R аминокислот, могут вступать во взаВнимодействие друг с другом, с посторонними веществами и с соседВнними белковыми и иными молекулами, образуя сложные и разнообВнразные структуры.
В макромолекулу белка вхоВндит одна или несколько пептидВнных цепей, связанных друг с другом поперечными химическиВнми связями, чаще всего через сеВнру (дисульфидные мостики, обраВнзуемые остатками цистеина). Химическую структуру пептидных цепей принято назыВнвать первичной структуВнрой белка или секвенцией.
Для построения пространВнственной структуры белВнка пептидные цепи должны приВннять определенную, свойственную данному белку конфигурацию, коВнторая закрепляется водородными связями, возникающими между пептидными группировками отВндельных участков молекулярной цепи. По мере образования водоВнродных связей пептидные цепи закручиваются в спирали, стремясь к образованию максимальВнного числа водородных связей и соответственно к энергетически наиболее выгодной конфигурации.
Впервые таВнкая структура на основе рентгеноструктурного анализа была обнаружена при изучении главного белка волос и шерВнститАФкератина Полингом американским физиком и химиком.. Ее назВнвали а-структурой или а-спиралью. На один виток спирали приходится по 3,6тАФ3,7 остатков аминокислот. РасВнстояние между витками около 0,54 миллиардной доле метра. Строение спирали стабилизируется внутВнримолекулярными водородными связями.
При растяжении спираль макВнромолекулы белка превращается в друВнгую структуру, напоминающую линейВнную.
Но образованию правильной спирали часто мешают силы отталкиваВнния или притяжения, возникающие между группами аминокислот, или стерические препятствия, например, за счет образования пирролидиновых колец пролина и оксипролина, которые заставляют пептидную цепь резко изгибаться и препятствуют образованию спирали на некоторых ее участках. Далее отдельные участки макромолекулы белка ориентируются в пространстве, принимая в некоторых случаях достаточно вытянутую форму, а иногда сильноизогнутую, свернутую пространственную структуру.
Пространственная структура закреплена вследствие взаимодействия радикалов R и аминокислот с образованием дисульфидных мостиков, водородных связей, ионных пар или других химических либо физических связей. Именно пространственная структура белка определяет химиВнческие и биологические свойства белков.
В зависимости от пространственной структуры все белки делятся на два больших класса: фибриллярные (они используются природой как структурный материал) и глобулярные (ферменты, антитела, некоторые гормоны и др.).
Полипептидные цепи фибриллярных белков имеют форму спиВнрали, которая закреплена расположенными вдоль цепи внутримолеВнкулярными водородными связями. В волокнах фибриллярных белков закрученные пептидные цепи расположены параллельно оси волокна, они как бы ориентированы относительно друг друга, располагаются рядом, образуя нитевидные структуВнры и имеют высокую степень асимметрии. Фибриллярные белки плохо растворимы или совсем нерастворимы в воде. При растворении в воде они образуют растворы высокой вязкости. К фибриллярным белкам относятся белки, входящие в состав тканей и покровных образований. Это миоВнзинтАФбелок мышечных тканей; коллаген, являющийся основой седиментационных тканей и кожных покровов; кератин, входящий в соВнстав волос, роговых покровов, шерсти и перьев. К этому же классу белков относится белок натурального шелка - фиброин, вязкая сиропообразная жидкость, заВнтвердевающая на воздухе в прочную нерастворимую нить. Этот белок имеет вытянутые поВнлипептидные цепи, соединенные друг с другом межмолекулярными водородными связями, что и определяет, по-видимому, высокую механическую прочность натурального шелка.
Пептидные цепи глобулярных белков сильно изогнуты, свернуты и часто имеют форму жестких шариковтАФглобул. Молекулы глобуВнлярных белков обладают низкой степенью асимметрии, они хорошо растворимы в воде, причем вязкость их растворов невелика. Это прежде всего белки кровитАФгемоглобин, альбумин, глобулин и др.
Следует отметить условность деления белков на фибриллярные и глобулярные, так как существует большое число белков с промеВнжуточной структурой.
Свойства белка могут сильно изменяться при заВнмене одной аминокислоты другой. Это объясняется изменением конВнфигураций пептидных цепей и условий образования пространственВнной структуры белка, которая в конечном счете определяет его функВнции в организме.
СОСТАВ И СВОЙСТВА БЕЛКОВ
Число аминокислотных остатков, входящих в молекулы отдельных белков, весьма различно: в инсулине 51, в миоглобине - около 140. Поэтому и относительная молекулярная масса белков колеблется в очень широких пределах - от 10 тысяч до многих миллионов На основе определения относительной молекулярной массы и элементарного анализа установлена эмпирическая формула белковой молекулы - гемоглобина крови (C738H1166O208S2Fe)4 Меньшая молекулярная масса может быть у простейших ферментов и некоторых гормонов белковой природы. Например, молекулярная масса гормона инсулина около 6500, а белка вируса гриппа тАФ 320 000 000. Вещества белковой природы (состоящие из остатков аминокислот, соединенных между собой пептидной связью), имеюВнщие относительно меньшую молекулярную массу и меньшую стеВнпень пространственной организации макромолекулы, называются полипептидами. Провести резкую границу между белками и полипептидами трудно. В большинстве случаев белки отличаются от других природных полимеров (каучука, крахмала, целлюлозы), тем, что чистый индиВнвидуальный белок содержит только молекулы одинакового строения и массы. Исключением является, например, желатина, в составе которой входят макромолекулы с молекулярной массой 12 000тАФ 70000.
Строением белков объясняются их весьма разнообразные свойВнства. Они имеют разную растворимость: некоторые растворяются в воде, другие тАФ в разбавленных растворах нейтральных солей, а некоторые совсем не обладают свойством растворимости (например, белки покровных тканей). При растворении белков в воде образуется своеобразная молекулярно-дисперсная система (раствор высокомолекулярного вещества). Некоторые белки могут быть выВнделены в виде кристаллов (белок куриного яйца, гемоглобина крови).
Белки играют важнейВншую роль в жизнедеятельности всех организмов. При пищеварении белковые молекулы перевариваются до аминокислот, которые, будучи хорошо растворимы в водной среде, проникают в кровь и поступают во все ткани и клетки организма. Здесь наиВнбольшая часть аминокислот расходуется на синтез белков различВнных органов и тканей, частьтАФна синтез гормонов, ферментов и других биологически важных веществ, а остальные служат как энергетический материал. Т.е. белки выполняют каталитические (ферменВнты), регуляторные (гормоны), транспортВнные (гемоглобин, церулоплазмин и др.), защитные (антитела, тромбин и др.) функции
Белки тАФ важнейшие компоненты пищи человека и корма животных. Совокупность непрерывно протекающих химищеский превращений белков заниВнмает ведущее место в обмене веществ оргаВннизмов. Скорость обновления белков у живых организмов зависит от содержания белков в пище, а также его биологической ценности, которая определяется наличием и соотношением незаменимых аминокислот
Белки растений беднее белков животного происхождения по содержаВннию незаменимых аминокислот, особенВнно лизина, метионина, триптофана. Белки сои и картофеля по аминокислотному соВнставу наиболее близки белкам животных. Отсутствие в корме незаменимых аминокислот приВнходит к тяжёлым нарушениям азотистого обмена. Поэтому селекция зерновых культур направлена, в частности, и на повышение качества белкового состава зерна.
КЛАССИФИКАЦИЯ БЕЛКОВ
Белки подразделяются на две большие группы: простые белки, или протеины, и сложные белки, или протеиды.
При гидролизе протеинов в кислом водном растворе получают только а-аминокислоты. Гидролиз протеидов дает кроме аминоВнкислот и вещества небелковой природы (углеводы, нуклеиновые кислоты и др.); это соединения белковых веществ с небелковыми.
Протеины.
Альбумины хорошо растворяются в воде. Встречаются в молоВнке, яичном белке и крови.
Глобулины в воде не растворяются, но растворимы в разбавленВнных растворах солей. К глобулинам принадлежат глобулины крови и мышечный белок миозин.
Глутелины растворяются только в разбавленных растворах щеВнлочей. Встречаются в растениях.
Склеропротеины тАФ нерастворимые белки. К склеропротеинам относятся кератины, белок кожи и соединительных тканей коллаВнген, белок натурального шелка фиброин.
Протеиды построены из протеинов, соединенных с молекулами другого типа (простетическими группами).
Фосфопротеиды содержат молекулы фосфорной кислоты, свяВнзанные в виде сложного эфира у гидроксильной группы аминокислоВнты серина. К ним относится вителлинтАФбелок, содержащийся в яичном желтке, белок молока казеин.
Гликопротеиды содержат остатки углеводов. Они входят в сосВнтав хрящей, рогов, слюны.
Хромопротеиды содержат молекулу окрашенного вещества, обычно типа порфина. Самым важным хромопротеидом является гемоглобин тАФ переносчик кислорода, окрашиВнвающий красные кровяные тельца.
Нуклеопротеиды тАФ протеины, связанные с нуклеиновыми кисВнлотами. Они представляют собой очень важные с биологической точВнки зрения белкитАФсоставные части клеточных ядер. Нуклеопротеиды являются важнейшей составной частью вируВнсов тАФ возбудителей многих болезней.
Определение строения белков
Определение строения белков является очень сложной задачей, но за последние годы в химии белка достигнуты значительные успехи. Помимо методов получения высокомолеВнкулярных синтетических полипептидов, построенных из большого чисВнла молекул одинаковых а-аминокислот, разработаны методы синтеза смешанных полипептидов с заранее заданным порядком чередования различных а-аминокислот путем постепенного их наращивания.
Полностью определена химическая структура нескольких белков: гормона инсулина, антибиотика грамицидин, фермента, расщепляющего нуклеиВнновые кислоты, рибонуклеазы, гормона аденокортикотропина, белка вируса табачной мозаики, миоглобина, гемоглобина и др. Частично определена структура некотоВнрых других белков.
Изучение химического строения белка начинают с определения аминокислотного состава. Для этого используется главным образом метод гидролиза, т. е. нагревание белка с 6тАФ10 моль/л соляной кислотой при температуре 100тАФ110В°С. Получают смесь а-аминокислот, из которой можно выделить индивидуальные аминокислоты.
Например, полный гидролиз одного трипептида приводит к образованию трех аминокислот:
Для количественного анализа этой смеси в настояВнщее время применяют ионообменную и бумажную хроматографию. Сконструированы специальные автоматические анализаторы амиВннокислот.
Итак, гидролиз белков, по существу, сводится к гидролизу полипептидных связей. К этому же сводится и процесс переваривание.
Разработаны также ферментативные методы ступенчатого расВнщепления белка. Некоторые ферменты расщепляют макромолекулу белка специфически тАФ только в местах нахождения определенной аминокислоты. Так получают продукты ступенчатого расщепления тАФ пептоны и пептиды, последующим анализом которых устанавливаВнют их аминокислотный состав.
Значительно более сложным является определение последоваВнтельности амидокислот в пептидных цепях белка. С этой целью преВнжде всего определяют N- и С-концы полипептидных цепей, при этом решаются два вопросатАФидентифицируются концевые аминокислоты и определяется число пептидных цепей, входящих в состав макромоВнлекул белка. Для определения N-концов пептидной цепи получают N-производное концевой аминокислоты пептида, которое идентифицируют после полного гидролиза пептида. С-концы пептидных цепей определяются избирательным отщепВнлением концевой аминокислоты с помощью специфического ферменВнта тАФ карбоксипептидазы и последующей идентификацией этой аминоВнкислоты. Если макромолекула белка состоит из двух (или более) пепВнтидных цепей, как в случае инсулина, то избирательно разрушают дисульфидные мостики окислением (например, над-муравьиной кислотой) и затем полученные полипептиды разделяют путем фракционирования на ионитах. Для определения последоваВнтельности расположения аминокислот в каждой полипептидной цепи ее подвергают частичному кислотному гидролизу и избирательВнному расщеплению с помощью ферментов, каждый из которых разВнрывает полипептидную цепь только в определенных местах присоедиВннения какой-то одной определенной аминокислоты или одного типа аминокислот (основных, ароматических). Таким образом получают несколько наборов пептидов: которые разделяют, используя методы хроматографии и электрофореза. Строение коротких пептидов определяют последовательным отВнщеплением и идентификацией концевых аминокислот упомянутыми выше методами, а большие пептиды подвергают дополнительному расщеплению с последующим разделением и определением строеВнния. Затем путем сложного сопоставления структуры различных учаВнстков пептидной цепи воссоздают полную картину расположения аминокислот в макромолекуле белка. Работа эта очень трудоемкая, и для определения химической структуры белка требуется нескольВнко лет.
Для изучения пространственной структуры белка, последовательности соединения аминокислот в том или ином белке используют различные физико-химические методы, из которых наиболее эффекВнтивными оказались метод ступенчатого расщепления и рентгеноструктурный анализ.
Рентгеноструктурный анализ - метод исследования атомной структуры в-ва с помощью дифракции рентгеновских лучей. Рентгеновские лучи взаимодействуют с электронными оболочками атомов. В результате этого взаимодейстВнвия происходит дифракция рентгеновских лучей и на фотопленке получается дифракционная картина тАФ пятна или окружности. Из дифракционной картины при помощи сложных расчетов устанавливают распределение электронной плотности в-ва, а по ней - род атомов и их расположение.
В настоящее время установлено, что большинство белков состоят из 22 качественно разных а-аминокислот.
При образовании молекулы белка или полипептида а-аминокислоты могут соединяться в различной последовательности. ВозможВнно огромное число различных комбинаций. Так же как, пользуясь 20..30 буквами алфавита, можно написать текст любой длины, так и из 20 а-аминокислот можно образовать больше 1018 комбинаций. Существование различного типа полипептидов практически неограВнничено.
Определение наличия белка:
Для идентификации белков и полипептидов используют специВнфические реакции на белки. Например:
а) биуретовая реакция
б) ксантопротеиновая реакция (появление желтого окрашивания при взаимодействии с онцентрированной азотной кислотой, котоВнрое в присутствии аммиака становится оранжевым; реакция свяВнзана с нитрованием остатков фенилаланина и тирозина);
в) реакция Миллона (образование желто-коричневого окрашиВнвания при взаимодействии с Hg(NО3)2+HNО3+HNO2
г) нингидриновая реакция
д) при нагревании белков со щелочью в присутствии солей свинВнца выпадает черный осадок PbS, что свидетельствует о присутствии серусодержащих аминокислот.
е) сильное нагревание вызывает не только денатурацию белков, но и разложение их с выделением летучих продуктов, обладающих запахом жженых перьев.
Белки обычно образуют коллоидные растворы. Многие реагенВнты вызывают осаждение белков тАФ коагуляцию, которая может быть обратимой и необратимой. Например, этанол и ацетон коагуВнлируют белки, но эта коагуляция является обратимой. В чистой воде коагулированные этим способом белки снова образуют колВнлоидный раствор. Обратимую коагуляцию вызывают также растВнворы некоторых солей (MgSO4 (NH4)2SO4 Na2SO4). Необратимую коагуляцию (денатурацию) белка вызывает кипячение, а также дейВнствие минеральных кислот, пикриновой кислоты, солей тяжелых металлов, танина.
Синтез пептидов
Синтез пептидов связан с рядом существенных трудностей. ПрежВнде всего, необходимы оптические активные изомеры а-аминокислот. Кроме того, требуются специальные приемы для осуществления последовательВнного образования пептидных связей в нужной нам последовательВнности а-аминокислот: защита аминогрупп, активация карбоксильВнных групп, отщепление защитных групп, множество специальных реагентов.
Но грандиозная работа по анализу и синтезу белков в последний период революционизировалась благодаря использованию высокоэффективных автоматических приборов. К ним отВнносят синтезаторы тАФ установки для синтеза, круглосуточно работающие без человека по заданной программе. Это одно из проявлений компьютеВнризации в химии. Создание таких автоматов стало возможным после появления новых плодотворных химических идей. Синтезаторы появились после предложеВнния американским химиком P. Meрифилдом нового принципа тАФ синВнтеза на полимерном носителе, облаВндающем определенными функциоВннальными группами.
Такой способ исключает необходимость выделения промежуточных продуктов на каждой стадии синтеза и легко подвергается автоматизации.
Изыскивая пути исусственного получения белка, ученые интенсивно изучают механизм его синтеза в орВнганизмах. Ведь здесь он совершается в ВлмягкихВ» условиях, удивительно четВнко и с большой скоростью. (Молекула белка в клетке образуется всего за 2тАФ3 с.) Выяснено, что синтез белков в организме осуществляется с учасВнтием других высокомолекулярных веВнществтАФнуклеиновых кислот. В настоящее время человек уже глубоко познал механизм биосинтеза белка и приступил к искусственному получению важнейших белков на осВннове тех же принципов, которые столь совершенно отработаны в процессе развития органического мира.
Кроме этого, промышленное полуВнчение белков осуществляется посредВнством микробиологического синтеза. Оказалось, что, размножаясь на соответствующей питательной среде, некоторые микроорганизмы могут создавать обильную белковую массу. На от ходах гидролизного производства спирта из древесины, например, выращивают кормовые дрожжи для животноводства. Использование продуктов микробиологического синтеза в животноводстве позволяет значительно повышать его продуктивность.
Искусственное получение белка было актуальным вопросом уже в прошлом столетии, когда стало ясно, что белки построены из а-аминокислот с помощью амидных (пептидных) связей. Первые синтезы низкомолекулярных пептидов связаны с именем немецкого химика Э. Фишера. В 1903тАФ1907 гг. Э. Фишер синтезировал полипептид, состоящий из 19 остатков аминокислот.
Вместе с этим смотрят:
Белковые веществаБиологическая роль каротина и каротиноидовБиосинтез белковБиохимические особенности состава крови