Гормоны

В настоящее  время в различных объектах живой  природы обнаружено до 200 различных  аминокислот. В организме человека их, например, около 60. Однако в состав белков входят только 20 аминокислот, называемых иногда природными. (15)

Аминокислоты  ― органические кислоты, у которых  атом водорода a-углеродного атома  замещен на аминогруппу –NH₂.

Все аминокислоты, кроме простейшей аминоуксусной кислоты ― глицина (NH₃⁺CH₂COO^-) имеют хиральный атом - C*-и могут существовать в виде двух энантиомеров (оптических изомеров): L-изомер и D-изомер.

В состав всех изученных в настоящее время  белков входят только аминокислоты L-ряда, у которых, если рассматривать хиральный атом со стороны атома H, группы NH₃⁺, COO^-и радикал -Rрасположены по часовой стрелке. Необходимость при построении биологически значимой полимерной молекулы строить ее из строго определенного энантиомера очевидна ― из рацемической смеси двух энантиомеров получилась бы невообразимо сложная смесь диастереоизомеров. Вопрос, почему жизнь на Земле основана на белках, построенных именно из L-, а не D-a-аминокислот, до сих пор остается интригующей загадкой. Следует отметить, что D-аминокислоты достаточно широко распространены в живой природе и, более того, входят в состав биологически значимых олигопептидов.(22)

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 (полипептид), расположенных  в определенной последовательности с четким генетически обусловленным порядком чередования и соединенных между собой пептидными связями.

Пептидная связь образуется за счет a-карбоксильной  группы одной аминокислоты и a-аминной  группы другой

К настоящему времени установлены последовательности аминокислот для нескольких тысяч различных белков. Запись структуры белков в виде развернутых структурных формул громоздка и не наглядна. Поэтому используется сокращенная форма записи ― трехбуквенная или однобуквенная.(21)

 При записи аминокислотной последовательности в полипептидных или олигопептидных цепях с помощью сокращенной символики предполагается, если это особо не оговорено, что a-аминогруппа находится слева, а a-карбоксильная группа ― справа. Соответствующие участки полипептидной цепи называют N-концом (аминным концом) и С-концом (карбоксильным концом), а аминокислотные остатки ― соответственно N-концевым и С-концевым остатками.

Вторичной структурой называют конформацию, которую  образует полипептидная цепь. Для  высокомолекулярных белков характерна структура спирали.

Впервые такая структура на основе рентгеноструктурного анализа была обнаружена при изучении главного белка волос и шерсти -a- кератина  (Л. Полинг). Ее назвали a-структурой или a-спиралью. Обычно в природных  продуктах  встречаются белки  со строением правой спирали, хотя известна и структура левой спирали.

Для полипептидных  цепей известно несколько различных  типов спиралей. Если при наблюдении вдоль оси спирали она удаляется  от наблюдателя по часовой стрелке, то спираль считается правой (правозакрученной), а если удаляется против часовой стрелки ― левой (левозакрученной). Наиболее распространена правая a-спираль (предложена Л. Полингом и Р. Кори). Идеальная a-спираль имеет шаг 0,54 нм и число однотипных атомов на один виток спирали 3,6.  строение спирали стабилизируется внутримолекулярными водородными связями.(14)

В природных  белках существуют лишь правозакрученные a-спиральные конформации полипептидных  цепей, что сопряжено с наличием в белковых телах аминокислот  только L-ряда (за исключением особых случаев).

При растяжении  a-кератина образуется вещество с другими  свойствами - b-кератин. При растяжении спираль макромолекулы белка  превращается в другую структуру , напоминающую линейную. Отдельные полипептидные  цепи здесь связаны межмолекулярными водородными связями. Эта структура называется  b-структурой ( структура складчатого листа, складчатого слоя)

Одним из распространенных примеров складчатой периодической структуры белка  являются так называемые b-складки, состоящие из двух фрагментов, каждый из которых представлен полипептидом.

b-складки  также стабилизируются водородными  связями между атомом водорода  аминной группы одного фрагмента  и атомом кислорода карбоксильной  группы другого фрагмента. При  этом фрагменты могут иметь  как параллельную, так и антипараллельную ориентацию относительно друг друга.

Для того чтобы два участка полипептидной  цепи располагались в ориентации, благоприятствующей образованию b-складок, между ними должен существовать участок, имеющий структуру, резко отличающийся от периодической.(11)

Возникновение a- и b-структур в белковой молекуле является следствием того, что аминокислоты и в составе полипептидных  цепей сохраняют присущую им способность  к образованию водородных связей. Таким образом, крайне важное свойство аминокислот ― соединяться друг с другом водородными связями в процессе образования кристаллических препаратов ― реализуется в виде a-спиральной конформации или b-структуры в белковой молекуле. Следовательно, возникновение указанных структур допустимо рассматривать как процесс кристаллизации участков полипептидной цепи в пределах одной и той же белковой молекулы.

Сведения  о чередовании аминокислотных остатков в полипептидной цепи (первичная  структура) и наличие в белковой молекуле спирализованных, слоистых и  неупорядоченных ее фрагментов (вторичная структура) еще не дают полного представления ни об объеме, ни о форме, ни тем более о взаимном расположении участков полипептидной цепи по отношению друг к другу. Эти особенности строения белка выясняют при изучении его третичной структуры, под которой понимают ― общее расположение в пространстве составляющих молекул одной или нескольких полипептидных цепей, соединенных ковалентными связями. То есть третичная конфигурация ― реальная трехмерная конфигурация, которую принимает в пространстве закрученная спираль, которая в свою очередь свернута спиралью. У такой структуры в пространстве имеются выступы и впадины с обращенными наружу функциональными группами. (20)

Полное  представление о третичной структуре  дают координаты всех атомов белка. Благодаря огромным успехом рентгеноструктурного анализа такие данные, за исключением координат атомов водорода получены для значительного числа белков. Это огромные массивы информации, хранящиеся в специальных банках данных на машиночитаемых носителях, и их обработка немыслима без применения быстродействующих компьютеров. Полученные на компьютерах координаты атомов дают полную информацию о геометрии полипептидной цепи, что позволяет выявить спиральную структуру, b-складки или нерегулярные фрагменты.

Третичная структура формируется в результате нековалентных взаимодействий (электростатические, ионные, силы Ван-дер-Ваальса и др.) боковых радикалов, обрамляющих a-спирали и b-складки, и непериодических фрагментов полипептидной цепи. Среди связей, удерживающих третичную структуру, следует отметить:

а) дисульфидный мостик (–S–S–) между двумя остатками цистеина;

б) сложноэфирный  мостик (между карбоксильной группой  и гидроксильной группой);

в) солевой  мостик (между карбоксильной группой  и аминогруппой);

г) водородные связи между группами   -СО -  и  -NH-;

Третичной структурой объясняется специфичность  белковой молекулы, ее биологическая  активность.(21)

Первые  пространственные модели молекул белка ―миоглобина и гемоглобина ―построили в конце 50-х гг. XXв. английские биохимики Джон Ко-удери Кендрю (родился в 1917г.) и Макс Фердинанд Перуц (родился в 1914г.). При этом они использовали данные экспериментов с рентгеновскими лучами. За исследования в области строения белков Кендрю и Перуц в 1962г. были удостоены Нобелевской премии. А в конце столетия была определена третичная структура уже нескольких тысяч белков.

У большинства  белков пространственная организация  заканчивается третичной структурой, но для некоторых белков с молекулярной массой больше 50-100 тысяч, построенных из несколько полипептидных цепей характерна четвертичная.

Сущность  такой структуры в объединении  несколько полимерных цепей были в единый комплекс. Такой комплекс также рассматривается как белок, состоящий из нескольких субъединиц. Белки, состоящие из нескольких субъединиц, широко распространены в природе (гемоглобин, вирус табачной мозаики, фосфорилаза, РНК-полимераза). Субъединицы принято обозначать греческими буквами (так у гемоглобина имеется по две aи bсубъединицы). Наличие нескольких субъединиц важно в функциональном отношении ― оно увеличивает степень насыщения кислородом.(12)

Четвертичная  структура стабилизируется в  основном силами слабых воздействий:

а) водородная; б) гидрофобная; в) ионные; г) ковалентные (дисульфидные, пептидные).

Денатурация белка ― разрушение сил (связей), стабилизирующих четвертичную, третичную и вторичную структуры, приводящее к дезориентации конфигурации белковой молекулы и сопровождаемое изменением растворимости, вязкости, химической активности, характера рассеивания рентгеновских лучей, снижением или полной потерей биологической функции.(15)

Различают физические (температура, давление, механическое воздействие, ультразвуковое и ионизирующее излучения) и химические (тяжелые  металлы, кислоты, щелочи, органические растворители, алкалоиды) факторы, вызывающие денатурацию.

Обратным  процессом является ренатурация, то есть восстановление физико-химических и биологических свойств белка. Иногда для этого достаточно удалить  денатурирующий объект. Ренатурация  невозможна если затронута первичная структура.(17) 

II.3. Химические и физические свойства белка 

Несмотря  на внешнее несходство, различные  представители белков обладают некоторыми общими свойствами.

Так, поскольку  все белки являются коллоидными  частицами (размер молекул лежит  в пределах 1 мкм до 1 нм), в воде они образуют коллоидные растворы. Эти растворы характеризуются высокой вязкостью, способностью рассеивать лучи видимого света, не проходят сквозь полупроницаемые мембраны.

Вязкость  раствора зависит от молекулярной массы  и концентрации растворенного вещества. Чем выше молекулярная масса, тем раствор более вязкий. Белки как высокомолекулярные соединения образуют вязкие растворы. Например, раствор яичного белка в воде.

Коллоидные  частицы не проходят через полупроницаемые  мембраны (целлофан, коллоидную пленку), так как их поры меньше коллоидных частиц. Непроницаемыми для белка являются все биологические мембраны. Это свойство белковых растворов широко используется в медицине и химии для очистки белковых препаратов от посторонних примесей. Такой процесс разделения называется диализом. Явление диализа лежит в основе действия аппарата “искусственная почка”, который широко используется в медицине для лечения острой почечной недостаточности.

Белки способны к набуханию, характеризуются  оптической активностью и подвижностью в электрическом поле, некоторые растворимы в воде. Белки имеют изоэлектрическую точку.

Важнейшим свойством белков является их способность  проявлять как кислые, так и  основные свойства, то есть 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, формирующие 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 (движение к аноду), тогда как в кислой среде (рН 1–7) подавляется диссоциация кислотных групп и белок становится катионом (движение к катоду)(18)

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, то есть она не будет перемещаться в электрическом поле. Такое значение рН среды определяется как изоэлектрическая точкабелков. 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 дикарбоновых аминокислот.(11)