Строение, свойства, классификация аминокислот

Структура белков

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

Первичная структура. Представляет собой линейную цепь аминокислот, расположенных в определенной последовательности и соединенных между собой пептидными связями. Пептидная связь образуется за счет α-карбоксильной группы одной аминокисло­ты и α-аминной группы другой.

Аминокислоты могут объединяться в длинные цепи, обра­зуя между собой пептидные связи. Две аминокислоты при этом образуют дипептид; если к нему добавить еще одну, то возник­нет трипептид и т.д. Пептиды, содержащие до 10 аминокис­лот, называют олигопептидами, а до 50 — полипептидами. По­липептиды, содержащие более 50 аминокислот, уже называют белками, хотя это название чаще используют для соединений, содержащих более 100 аминокислот.

Аминокислотные звенья, входящие в состав пептида, обычно называют аминокислотными остатками. Они уже не являются аминокислотами, так как в результате образования пептидных связей у каждой из них не хватает одного атома водорода в аминной группе и одного гидроксильного аниона в карбоксильной. Аминокислотный остаток, находящийся на том конце пептида, где имеется свободная α-аминная группа, называется аминоконцевым или N-концевым остатком; остаток же на противоположном кон­це молекулы, имеющем свободную карбоксильную группу,— карбоксиконцевым или С-концевым. Наз­вание пептидов образуется из названия входящих в них аминокислотных остатков в соответствии с их последовательностью, начиная с N-конца.

Вторичная структура. Представляет собой упоря­доченную и компактную упаковку полипептидной цепи. По конфигурации она бывает в виде спирали и склад­чатой структуры.

Основу α-спирали составляет пеп­тидная цепь, а радикалы аминокислот направлены кнаружи, располагаясь по спирали. Внешне α-спираль похожа на слегка растянутую спираль электроплитки. Такая форма характерна для белков, имеющих одну полипептидную цепь (альбуминов, глобулинов и др.).

Складчатая β-структура представляет собой плос­кую форму и похожа на меха гармошки. Она ха­рактерна для белков, имеющих несколько полипептид­ных цепей, расположенных параллельно, β-структура встречается в таких белках, как трипсин, рибонуклеаза, кератин волос, коллаген сухожилий.

Образование вторичной структуры обеспечивается водородной связью. Она образуется при участии атома водорода, находящегося между двумя сильноотрицательными атомами, к одному из которых он (во­дород) имеет большее сродство.

Водородная связь является слабой, она легко обра­зуется и так же легко разрывается. В молекуле белка этот вид связи образуется между водородом α-аминной группы одной пептидной связи и кислородом β-карбоксильной группы другой.

В α-спирали водородная связь образуется таким образом, что каждая NH-группа пептидной связи соединяется с четвертой по счету вдоль цепи СО-группой другой связи. Именно благодаря такому соедине­нию обеспечивается спирализация цепи. В β-структуре водородная связь обра­зуется между теми же груп­пировками, но принадлежа­щими разным полипептид­ным цепям. Таким образом, все СО- и NH-группы поли­пептидных цепей оказыва­ются связанными между со­бой водородными связями.

Третичная структура. Имеющая третичную струк­туру белковая молекула представляет собой более компактное пространствен­ное расположение полипеп­тидной цепи, точнее ее вто­ричной структуры. Форма третичной структуры может быть самая различная и определяется тем, что различные функциональные группы полипептидной цепи могут образовывать различные типы связей (электростатические, ионные, силы Ван-дер-Ваальса и др.).

Этот тип структуры является довольно жестким, что обус­ловлено наличием дисульфидных (—S...S—) связей (дисульфидных мостиков), которые образуются между атомами серы двух молекул цистеина, располо­женных в разных участках полипептидной цепи.

Именно третичная структура обеспечивает выполнение белком его основных функций и в зависимости от этого третичная структура может быть представлена или в виде шарика (глобулы) у глобулярных белков, или и виде нитей (фибрилл) у фибриллярных белков. Глобулярные белки обнаружены в крови и многих органах. Их представителями являются альбумины и глобулины. Фибриллярные белки составляют основу мышечной ткани.

Четвертичная структура. В организме имеются более сложные по структуре белки, состоящие из нескольких так называемых субъединиц, каждая из которых представляет собой молекулу белка со своей специфической структурой, вплоть до третичной. Такое объединение субъединиц называют четвертичной структурой. Особен­ностью белков с четвертичной структурой является их способность проявлять свои функции и свойства только при наличии всех субъединиц. Удаление хотя бы одной из них приводит к потере функций. К та­ким белкам относятся гемоглобин, ряд ферментов и др.

Т.о., под четвертичной структурой понимают структуру белков, состоящих из нескольких полипептидных цепей. Каждая из этих цепей имеет свою завершенную пространственную структуру и называется субъединицей белка с четвертичной структурой.

Свойства белков

Белки имеют высокую молекулярную массу, раство­римы в воде, способны к набуханию, характеризуются химической активностью, подвижностью в электрическом поле и некоторыми другими свойствами. Белки активно вступают в химические реакции. Это свойство связано с тем, что аминокислоты, входящие в состав белков, содержат разные функциональные группы, способные реагировать с другими веществами. Важно, что такие взаимодействия происходят и внутри белковой молекулы, в результате чего образуются пептидная, водородная, дисульфидная и другие виды связей. К радикалам аминокислот, а, следовательно, и белков, могут присоединяться различные соединения и ионы, что обеспечивает транспорт их по крови.

1. Белки являются высокомолекулярными соедине­ниями. Это полимеры, состоящие из многих сотен и тысяч мономеров — аминокислот. Соответственно и молекулярная масса белков находится в пределах 10000— 1000000. Так, в составе рибонуклеазы (фермента, расщепляющего РНК) содержится 124 аминокислотных остатка и ее молекулярная масса составляет примерно 14000. Миоглобин (белок мышц), состоящий из 153 остатков аминокислот, име­ет молекулярную массу 17000, а гемоглобин — 64500 (574 аминокислотных остатка). Молекулярные массы других белков более высокие: γ^_глобулин (об­разует антитела) состоит из 1250 аминокислот и имеет молекулярную массу около 150000, а молеку­лярная масса фермента глутаматдегидрогеназы превышает 1000000.

Определение молекулярной массы проводится раз­личными методами: осмометрическим, гельфильтрационным, оптическим и др. Однако наиболее точным является метод седиментации, предложенный Т. Сведбергом. Он основан на том, что при ультрацентрифугировании с ускорением до 900000 g скорость осаждения белков зависит от их молекулярной массы.

2. Важнейшим свойством белков является их способ­ность проявлять как кислые, так и основные свойства, т. е. выступать в роли амфотерных электролитов. Это обеспечивается за счет различных диссоциирующих группировок, входящих в состав радикалов аминокислот.

Например, кислотные свойства белку придают карбоксильные группы аспарагиновой и глутаминовой аминокислот, а щелочные — радикалы аргинина, лизина и гистидина. Чем больше дикарбоновых аминокислот содержится в белке, тем сильнее проявляются его кислотные свойства и на­оборот.

Эти же группировки имеют и электрические заряды, которые формируют общий заряд белковой моле­кулы. В белках, где преобладают аспарагиновая и глутаминовая аминокислоты, заряд белка будет от­рицательным, избыток основных аминокислот придает положительный заряд белковой молекуле. Вследствие этого в электрическом поле белки будут передвигаться к катоду или аноду в зависимости от величины их общего заряда. Так, в щелочной среде (рН 7 - 14) белок отдает протон и заряжается отрицательно, тогда как в кислой среде (рН 1 - 7) подавляется диссоциация кислотных групп и белок становится катионом.

Таким образом, фактором, определяющим поведение белка как катиона или аниона, является реакция среды, которая определяется концентрацией водородных ионов и выражается величиной рН. Однако при определенных значениях рН число положительных и отрицательных зарядов уравнивается, и молекула становится электронейтральной, т. е. она не будет перемещаться в электрическом поле. Такое значение рН среды определяется как изоэлектрическая точка белков. При этом белок находится в наименее устой­чивом состоянии и при незначительных изменениях рН в кислую или щелочную сторону легко выпадает в осадок. Для большинства природных белков изо­электрическая точка находится в слабокислой среде (рН 4,8 — 5,4), что свидетельствует о преобладании в их составе дикарбоповых кислот.

Свойство амфотерности лежит в основе буферных свойств белков и их участии в регуляции рН крови. Амфотерность белков используют для разделения их на фракции, например методом электрофореза, с целью диагностики ряда заболеваний и контроля за состоянием больного, так как при различных патоло­гических состояниях фракционный состав белков су­щественно меняется.

3. Важное значение для организма имеет способность белков адсорбировать на своей поверхности некото­рые вещества и ионы (гормоны, витамины, железо, медь и др.), которые либо плохо растворимы в воде, либо являются токсичными (билирубин, свободные жирные кислоты). Белки транспортируют их по крови к местам дальнейших превращений или обезврежи­вания.

4. Водные растворы белков имеют свои особенности. Во-первых, белки обладают большим сродством к воде, т. е. они гидрофильны. Это значит, что молеку­лы белка, как заряженные частицы, притягивают к себе диполи воды, которые располагаются вокруг белковой молекулы и образуют водную или гидратную оболочку. Эта оболочка предохраняет молекулы белка от склеивания и выпадения в осадок.

Величина гидратной оболочки зависит от структуры белка. Например, альбумины более легко связывают­ся с молекулами воды и имеют относительно боль­шую водную оболочку, тогда как глобулины, фибри­ноген присоединяют воду хуже и гидратная оболочка у них меньше.

Таким образом, устойчивость водного раствора белка определяется двумя факторами: на­личием электрического заряда белковой молекулы и находящейся вокруг нее гидратной оболочки. При удалении этих факторов белок выпадает в осадок. Данный процесс может быть обратимым и необратимым.

Обратимое осаждение белков (высали­вшие) предполагает выпадение белка в осадок под действием определенных веществ, после удаления, которых он вновь возвращается в свое исходное (нативное) состояние. Для высаливания белков используют соли щелочных и щелочноземельных металлов (наиболее часто в практике используют сульфат натрия и аммония). Эти соли удаляют водную оболочку (вызывают обезвоживание) и снимают заряд. Между величиной гидратной оболочки белковых молекул и концентрацией солей существует прямая зависимость: чем меньше гидратная оболочка, тем меньше требуется солей. Так, глобулины, имеющие крупные и тяжелые молекулы и небольшую гидратную оболочку, выпадают в осадок при неполном насыщении раствора солями, а альбумины как более мелкие молекулы, окруженные большой водной оболочкой,- при полном насыщении.

Необратимое осаждение связано с глубокими внутримолекулярными изменениями структуры белка, что приводит к потере ими нативных свойств (растворимости, биологической активности и др.). Такой белок называется денатурированным, а процесс - денатурацией.

Денатурация белков (от лат. de- — приставка, означающая отделение, удаление и лат. nature — природа; не путать с лат. denaturatus — лишенный природных свойств) — термин биологической химии, означающий потерю белками их естественных свойств (растворимости, гидрофильности и др.) вследствие нарушения пространственной структуры их молекул.

Процесс денатурации отдельной белковой молекулы, приводящий к распаду её «жёсткой» трёхмерной структуры, иногда называют плавлением молекулы.

Механизмы денатурации

Практически любое заметное изменение внешних условий, например, нагревание или обработка белка кислотой приводит к последовательному нарушению четвертичной, третичной и вторичной структур белка. Обычно денатурация вызывается повышением температуры, действием сильных кислот и щелочей, солей тяжелых металлов, некоторых растворителей (спирт), радиации и др.

Денатурация часто приводит к тому, что в коллоидном растворе белковых молекул происходит процесс агрегации частиц белка в более крупные. Визуально это выглядит, например, как образование «белка» при жарке яиц.

Денатурация белков происходит в желудке, где имеется сильно кислая среда (рН 0,5 - 1,5), и это способствует расщеплению белков протеолетическими ферментами.

Денатурация белков положена в основу лечения отравлений тяже­лыми металлами, когда больному вводят per os мо­локо или сырые яйца с тем, чтобы металлы, денату­рируя белки молока и яиц, адсорбировались на их поверхности и не действовали на белки слизистой оболочки желудка и кишечника, а также не всасы­вались в кровь.

Ренатурация (высаливание) — процесс, обратный денатурации, при котором белки возвращают свою природную структуру. Нужно отметить, что не все белки способны ренатурировать; у большинства белков денатурация необратима.

5. Размер белковых молекул лежит в пределах 1 мкм до 1 нм и, следовательно, они являются коллоидны­ми частиц… Продолжение »