Аминокислоты и белки

Аминокислоты  и белки

   Строительными блоками белков служат аминокислоты. Классификация аминокислот.

1. Моноаминомонокарбоновые: Глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин.
2. Моноаминодикарбоновые: глутаминовая и аспаргиновая кислоты.
3. Диаминомонокарбоновые: аргинин, лизин, оксилизин.
4. Гидроксилсодержащие: треонин, серин.
5. Серусодержащие: цистин, метионин.
6. Ароматические: фенилаланин, тирозин.
7. Гетероциклические: триптофан, пролин, оксипролин, гистидин.

   Аминокислота представляет собой производное органической кислоты, в котором водород в α-положении замещен на аминогруппу (-NH₂). Например, из уксусной кислоты образуется глицин, а из пропионовой - аланин. В аминокислотах одновременно присутствуют и кислотная и основная группы (карбоксил —СООН и аминогруппа —NH₂), они относятся к амфотерным соединениям.

   Присутствующие  в клетке свободные аминокислоты образуются в результате расщепления белков или поступают из межклеточной жидкости. Свободные аминокислоты составляют так называемый аминокислотный фонд, из которого клетка черпает строительные блоки для синтеза новых белков.

   Связь R—NH—СО—R называется пептидной связью. Образующаяся молекула также является амфотерной, поскольку на одном ее конце всегда находится кислая группа, а на другом - основная; боковые цепи (остатки аминокислот) могут быть основными или кислыми. Комбинация из двух аминокислот носит название дипептида, из трех - трипептида. Пептид, состоящий из небольшого числа аминокислот, называется олигопептидо.и. Если же число аминокислот в молекуле достаточно велико,   вещество   называют   полипептидом.

   Расстояние  между двумя пептидными связями  равно примерно 0,35 нм. Молекула белка с мол.  массой 30 000, состоящая из 300 аминокислотных остатков, в полностью вытянутом состоянии должна иметь длину 100 нм, ширину 1 нм и толщину 0,46 нм.

   Белки называют протеинами (греч. протео — занимаю первое место). Это слово [в русском языке оно сохранилось лишь в названиях сложных белков] указывает, что все основные функции организма связаны со специфическими белками. Они входят в состав ферментов и сократительного аппарата клеток, присутствуют в крови и других межклеточных жидкостях. Некоторые длииноцепочечные белки, такие, как коллаген и эластин, играют важную роль в построении тканевых структур.

   Кератин и коллаген нерастворимы и обладают фибриллярной структурой; глобулярные белки, например яичный альбумин и белки сыворотки, растворимы в воде и солевых растворах и их молекулы имеют сферическую, а не нитевидную форму.

    Сложные белки, в молекулу которых входит небелковая часть, так называемая простетическая группа. К ним принадлежат нуклеопротеиды, липопротеиды и хромопротеиды (гемоглобин, гемоцианин и цитохромы), в которых простетической группой служит пигмент. Простетической группой гемоглобина и миоглобина (белка мышц) является гем — металлсодержащее органическое соединение, связывающее кислород.

   Первичная структура белков. Полипептидная цепь, построенная из аминокислот, представляет собой первичную структуру белковой молекулы. Это наиболее важная специфическая структура, до некоторой степени определяющая так называемые вторичную и третичную структуры белка. Агрегаты белковых субъединиц, обладающих вторичной и третичной структурой, составляют четвертичную структуру.

   Изучение  порядка расположения аминокислот  в молекуле белка стало возможным после того, как были разработаны методы расщепления белков. Первый успех принадлежит Сэнджеру, которому в 1954 г. удалось, наконец, полностью расшифровать последовательность аминокислот в инсулине. Молекула инсулина состоит из двух цепей: А-цепь содержит 21 аминокислоту, а В-цепь — 30. Обе цепи соединены двумя дисульфидными (—S—S—) связями.

   В молекуле белка аминокислоты уложены  как бусины на нити, и последовательность их расположения имеет важное биологическое значение. Например, ферментативные свойства некоторых белков определяются последовательностью аминокислот на небольшом участке цепи, называемом активным центром. В молекуле гемоглобина замена одной-единственной  аминокислоты  уже приводит к глубоким биологическим изменениям.

   Вторичная структура белков. Молекула белка состоит из нескольких сотен аминокислот, и поэтому полипептидная цепь лишь в редких случаях бывает вытянута полностью; обычно она определенным образом изогнута, образуя вторичную структуру. Фибриллярные белки (склеропротеины) часто характеризуются упорядоченным расположением цепей, благодаря чему их можно исследовать методом рентгеноструктурного анализа. В результате этих исследований было найдено, что фибриллярные белки можно разбить на три структурных типа или группы.

   В белках типа β-кератина смежные цепи расположены таким образом, что образуют структуру складчатого слоя. В этой структуре боковые группы (аминокислотные остатки) перпендикулярны плоскости, в которой лежат сами цепи; отдельные цепи соединены друг с другом водородными связями, образуя «пептидную   решетку».

   В белках типа α-кератина полипептидная цепь закручена в виде спирали, образуя так называемую а-спиральную структуру. Водородные связи в этом случае являются внутримолекулярными, а не межмолекулярными. Для группы коллагена предложена модель, состоящая из трех   спиралей.

   Третичная структура белков. В глобулярных белках полипептидные цепи определенным образом свернуты, образуя компактную структуру.    Расположение   таких  цепей  в пространстве очень сложно, но может быть выяснено методом рентгеноструктурпого анализа.

   Пространственное  расположение цепей до некоторой степени предопределено последовательностью чередования аминокислот в первичной структуре и связями, образующимися между некоторыми аминокислотными остатками. Многие биологические свойства белков, например ферментативная активность и антигенноетъ, связаны именно с третичной структурой.

   Четвертичная  структура белка; принцип самосборки. В отличие от первичной, вторичной и третичной структур, которые содержат одну полипептидную цепь, четвертичная структура состоит из двух или более цепей. Эти цепи могут быть одинаковыми или разными, но в обоих случаях они связаны слабыми связями (нековалентнымн). Например, молекула гемоглобина состоит из четырех полипептидных субъединиц - двух α и двух β-цепей. Разделение и ассоциация этих субъединиц может происходить   спонтанно.Под действием мочевины молекула гемоглобина распадается на две половники, одна из которых состоит из двух α-субъединиц, в другая из двух β -субъединиц. При удалении мочевины они объединяются вновь, образуя четырехкомпонентную молекулу. Этот процесс высокоспецифичен: объединяться могут только две разные половинки молекул (так называемый принцип самосборки). Многие ферменты и другие белки с мол. массой свыше 50 000, вероятно, обладают четвертичной структурой. Например, альдолаза (мол. масса 150 000) распадается при низком рН на субъединицы с мол. массой 50 000 каждая, но вновь ассоциирует при нейтральном   рН.

   Связи   в  белковой  молекуле.   В структуре белков   встречаются   самые различные типы связей. Первичная структура (пептидная связь) полностью определяется  химическими,  или  ковалентными, связями. Между остаткам цистина (например, в инсулине и рибонуклеазе) образуются S—S-связи той же природы. Вторичная и третичная структуры стабилизируются рядом более слабых связей. Эти связи можно классифицировать следующим образом:

1. Ионные, или электростатические, связи между положительными  и отрицательными   ионами,   находящимися    на    расстоянии    0,2...0,3     нм.
2. Водородные связи (длина связи 0,25...0,32 нм); эти по существу также электростатические связи, но более слабые, чем ионные, образуются между двумя сильно отрицательными атомами — С, N или О.
3. Слабые связи между неполярными боковыми цепями, возникающие в результате   взаимного   отталкивания   молекул   растворителя.
4. Связи, образующиеся за счет вандерваальсовых сил при взаимодействии полярных боковых цепей.

   Электрические заряды белков. Все аминокислоты являются амфолитами (цвиттерионами), обладающими положительно и отрицательно заряженными группами (—NH₂ и —СООН). Так как эти группы участвуют в образовании пептидной связи, в полипептидной цепи свободными остаются только концевые СООН- и - NH_2-группы, а также СООН-группы из дикарбоновых аминокислот и NH₂-группы из диаминокислот. Все эти группы ионизируются следующим образом:

1. Кислые группы теряют протоны и становятся отрицательно заряженными.  Этот тип диссоциации  встречается  в дикарбоновых  аминокислотах (аспарагиновая и глутаминовая), у которых свободная карбоксильная группа диссоциирует на СОО^- и Н⁺.
2. Основные   группы,   приобретая   протон,   становятся   положительно заряженными. Этот тип встречается в аминокислотах с двумя основными группами (лизин и аргинин), у которых свободные аминогруппы ионизируются с образованием положительного заряда.

   Все эти так называемые ионогенные группы вместе с концевыми свободными карбоксильными и аминогруппами участвуют в кислотно-щелочных реакциях белков и определяют электрические свойства белковых молекул.

   Движение  белков в электирическом поле - электрофорез. 
      Аминокислоты — соединения, содержащие амино- и карбоксильную группы. В зависимости от расположения амино- и карбоксильной групп различают α-, β-, γ-, δ- и т. д. аминокислоты:

   α-Аминокислоты являются составными частями белков и участвуют в важнейших биологических процессах. Первая аминокислота была выделена в 1820 г. французским исследователем X. Браконно кислотным гидролизом желатины, однако лишь через 13 лет в ней было обнаружено присутствие азота. Позднее была показана роль α-аминокислот как структурных элементов белка (Н. Н. Любавин, 1871 г.). К началу XX в. методом гидролиза белка было выделено более 20 аминокислот.

  Для синтеза белков и других биохимических реакций организм использует исключительно аминокислоты, а не белки, поступающие с пищей. Некоторые аминокислоты, необходимые для роста и нормального функционирования животных организмов, потребляются готовыми из пищи, так как скорость их синтеза отстает от скорости расхода. Такие аминокислоты называются незаменимыми аминокислотами. К ним относятся валин, лейцин, изолейцин, фенилаланин, аргинин, треонин, метионин, лизин, триптофан, гистидии.

  Для α-аминокислот характерны исторические названия. Их происхождение связано со свойствами и названиями продуктов, из которых они впервые были выделены. Глицин имеет сладкий вкус (от греч. «глюкос» - сладкий). Цистин выделен из камней желчного пузыря (от греч. «цистис» -пузырь). Лейцин получен из молочного белка - казеина (от греч. «леукос» - белый). Аспарагиновая кислота изолирована из ростков спаржи  (от греч. аспарагус - спаржа). Орнитин выделен из помета птиц (от греч. «ор-нитус» - птица). Аминокислоты называют также по названиям материнских карбоновых кислот. Положение аминогруппы и других заместителей обозначают буквами греческого алфавита. Научная номенклатура к аминокислотам обычно не применяется.

  Все природные аминокислоты (кроме глицина) оптически активны и принадлежат к L-ряду. При микробиологическом способе аминокислоты образуются в процессе жизнедеятельности бактерий. Гидролитический метод основан на гидролизе белковых природных продуктов, например рогов, копыт, крови (отходов преимущественно мясной промышленности), из которых выделяются аминокислоты. Оба способа приводят к получению смеси оптически активных α-аминокислот L-ряда. Синтетические методы дают рацемическую смесь D- и L-аминокислот.

  В производственных масштабах микробиологическим методом преимущественно получают лизин и глутаминовую кислоту; гидролитическим - цистеин, лейцин, изолейцин; синтетическим - метионин и глутаминовую кислоту. В отдельных случаях сочетают синтетический и микробиологический способы (лизин). Сначала синтезируют рацемическую смесь аминокислот, а затем ферментативно, в результате поглощения бактериями D-изомера, выделяют L- изомер.

  Недавно α-аминокислоты получали в незначительных количествах и использовали преимущественно для научных исследований. Сейчас они стали многотоннажными промышленными продуктами в связи с необходимостью обеспечения питанием все возрастающего населения земного шара, из которого, по меньшей мере голодают 500 млн. и недоедает 1 млрд. человек.