Биологическая химия - читать бесплатно онлайн полную версию книги автора Михаил Викторович Ермолаев (I. Химия белков) #2

I. Химия белков

Общая характеристика белков

Из органических веществ, входящих в состав живых организмов, наиболее важными в биологическом отношении и наиболее сложными по своей структуре являются белки. С ними мы встречаемся всюду, где имеет место проявление жизни.

Еще в прошлом столетии указывалось на важное значение белков в животном организме. Термин "белки" возник впервые в связи с обнаружением в тканях животных и растений веществ, похожих по некоторым свойствам на яичный белок (при нагревании они свертывались). Эти вещества Мульдер в 1838 г. назвал протеинами (греч. proteous — первый). Оно было основано на представлении о том, что протеины являются важнейшей составной частью живой материи, без которой была бы невозможна жизнь. Теперь определение "белки" стало собирательным понятием для целого класса веществ, которые имеют много общего в составе и свойствах, присутствуют в каждой живой клетке и образуют там главную массу протоплазмы.

Классическое определение роли белков как основы всего живого было дано Ф. Энгельсом[1]. Он писал, что всюду, где мы встречаем жизнь, находим, что она связана с каким-то белковым телом и повсюду, где находится белковое тело, только не в состоянии разложения, всегда без исключения встречаются и с явлениями жизни. Это представление Энгельса не утратило своего значения и до настоящего времени. Теперь, говоря о роли белков, отмечаются их многообразные функции в организме.

Биологическое значение белков и их распространение в природе

Каталитическая функция. В организме протекает множество самых различных химических реакций с очень высокими скоростями, которые невозможно воспроизвести в органической химии. Это обеспечивается за счет ферментов — катализаторов белковой природы, каждый из которых с высокой степенью специфичности ускоряет химическую реакцию, протекающую в организме.

Структурная функция. Анализ человеческого тела показывает, что белок составляет значительную часть организма (табл. 1).

Таблица 1. Состав человеческого тела

По данным таблицы видно, что из всех органических веществ, входящих в состав тела человека, большая часть (20%) приходится — на белок. Белок входит в состав различных органов и тканей, участвует в построении оболочек клеток, составляет основную часть волос, ногтей и т. д. )

Содержание белка в коже составляет 27%, в скелете — 20%, в мышцах — 22%, в жировой ткани — 6%, в печени — 22%, в мозге — 11%.

Энергетическая функция. При распаде белков в организме выделяется значительное количество энергии, которая обеспечивает другие химические процессы, текущие с ее потреблением. При сгорании 1 г белка выделяется 4,1 ккал.

Транспортная функция. Для жизнедеятельности организма необходимо постоянное обеспечение его питательными веществами, которые переносятся по крови соединениями белковой природы. Так, снабжение клеток кислородом и удаление углекислого газа осуществляется сложным белком — гемоглобином; транспорт жирорастворимых веществ (жиров, липоидов, витаминов групп A, D, Е, К и т. д.) обеспечивается липопротеидами — сложными веществами, наружная оболочка которых представлена белками, и т. д.

Функция передачи наследственности. В основе процессов передачи наследственности, в "воспроизводстве себе подобных" лежат сложные белки — нуклеопротеиды, составными частями которых являются нуклеиновые кислоты — ДНК и РНК. ДНК является носителем наследственности, а РНК обеспечивает считывание этой информации и построение белка на этой основе.

Защитная функция. В ходе эволюции животный организм

выработал различные защитные механизмы против неблагоприятных факторов внешней и внутренней среды. Так, кожа предохраняет организм от воздействия резких колебаний температуры, солнечной радиации и т. д. На действие болезнетворных микробов организм отвечает выработкой антител, которые способствуют торможению вредного действия микроорганизмов и их разрушению. Основу этих защитных веществ составляют белки. В составе кожи обнаружен белок кератин, основу антител составляют γ-глобулины и т. д.

Эти основные функции белков достаточно четко характеризуют их значение для организма.

Элементарный состав белков

При химическом анализе белков были определены важнейшие элементы, входящие в их состав, и их количественные соотношения.

Элементарный состав белков в процентах будет следующим: углерод — 50-54,4%, водород — 6,5-7,3%, кислород — 21,5-23,5%, азот — 15- 17%, сера — 0,3-2,5%.

В составе белков обнаружены также фосфор, йод, железо и другие минеральные вещества.

Как было установлено, наибольшим постоянством в составе белка отличается азот, количество которого составляет в среднем 16%, поэтому было предложено определить содержание белка по количеству входящего в него азота по следующей формуле:

Кол-во азота×6,25 г = кол-во белка в %, где 6,25 г белка соответствует 1 г азота.

При изучении химической структуры белка было установлено, что основной его структурной единицей — мономером — является аминокислота. Таким образом, белки определяются как высокомолекулярные органические, N-содержащие вещества, состоящие в основном из аминокислот и находящиеся в клетках в коллоидном состоянии.

Свойства белков

Молекулярный вес белков

Определение молекулярного веса белков проводилось различными методами (криоскопическим, осмометрическим и др.). Наиболее точным оказался предложенный Т. Сведбергом метод седиментации, который проводится в ультрацентрифуге с ускорением до 900 000 g. Он основан на различной скорости оседания белков, в зависимости от их молекулярного веса: белки с высоким молекулярным весом оседают при меньшей скорости вращения центрифуги, а белки с малым весом — при высоких скоростях. По определенной формуле рассчитывают молекулярный вес. Изучение различных белков показало, что все они являются высокомолекулярными соединениями.

Приведем молекулярный вес следующих белков: инсулина — 5700 (11 500), рибонуклеазы — 12 700, миоглобина 4 — 17 000, гемоглобина — 65 000, каталазы — 250 000, уреазы 4-480 000, гемоцианина — 5 000 000 — 6 000 000.

Белки-коллоиды

Белки вследствие своего высокого молекулярного веса обладают свойствами коллоидов.

Как известно, все растворы в зависимости от величины растворенных частиц подразделяются на истинные и коллоидные. К истинным относятся такие растворы, величина частиц которых меньше 1 ммк (10^-7 см); величина частиц коллоидных растворов составляет от 1 мк до 1 ммк (10^-4-10^-7 см). Для отличия истинных от коллоидных растворов пользуются в основном двумя методами — изучением "эффекта Тиндаля" и диализом.

Рис. 9. 'эффект Тиндаля'. Сосуд, ближайший к свету, содержит концентрированный раствор сахара. Второй сосуд содержит коллоидную дисперсию. Пучок света виден во втором сосуде, но проходит через первый сосуд нерассеянным

Сущность "эффекта Тиндаля" заключается в следующем: при пропускании пучка света через истинный раствор его рассеивания не происходит, т. е. частицы истинного раствора настолько малы, что они не могут стать преградой для луча света и отклонить его в сторону. Если же пучок света направить на коллоидный раствор, то произойдет его рассеивание, которое будет наблюдаться в виде светящегося конуса. Это объясняется тем, что частицы коллоидного раствора, как более крупные, будут служить препятствием на пути луча света, в результате чего последний несколько отклонится (рис. 9).

Сущность явления диализа заключается в способности частиц раствора задерживаться или проходить в зависимости от их величины через полупроницаемые перепонки — мембраны, имеющие определенный размер отверстий — поры. К полупроницаемым мембранам относятся целлофан, коллоидная пленка, стенка бычьего пузыря и т. д. Если величина частиц раствора меньше размера пор такой мембраны, то они свободно проходят через них, если же размер частицы больше, чем поры, то частица задержится" В первом случае мы имеем дело с истинными растворами, которые свободно фильтруются (проходят) через полупроницаемые мембраны. Во втором случае — частицы коллоидных растворов задерживаются и не проходят через такие же мембраны.

Это свойство широко используется в медицине и химии для получения хорошо очищенных от посторонних примесей белковых препаратов. Например, для получения лечебных сывороток, γ-глобулинов. Явление диализа лежит в основе действия аппарата "искусственная почка", который в настоящее время широко используется в клиниках при лечении острой и хронической почечной недостаточности.

Белки — амфотерные электролиты

При изучении химического состава белка было установлено, что в его молекуле имеются свободные аминные (NH₂) и карбоксильные (СООН) группы, которые в растворе находятся в виде NH₃ и СООН. Следовательно, белки в растворе обладают амфотерными свойствами (амфолит, амфион). При пропускании электрического тока белки будут передвигаться в зависимости от заряда белковой молекулы к катоду или аноду (рис. 10).

Рис. 10. Белки — амфотерные соединения. а — в кислом растворе суммарный заряд белка положительный и белок становится катионом; б — изоэлектрическая точка белка; суммарный заряд белковой молекулы равен нулю; в — в щелочной среде подавлена диссоциация аминных групп. Заряд белковой молекулы становится отрицательным и белок передвигается к аноду (белок играет роль аниона)

В щелочных растворах белок играет роль аниона: например, при действии едкого натра происходит потеря Н⁺ из NH⁺₃:

В кислых растворах, наоборот, белок играет роль катиона, как в случае с соляной кислотой:

Таким образом, фактором, определяющим поведение белка как аниона или катиона, является концентрация водородных ионов, или значение рН среды. При повышении концентрации водородных ионов (среда кислая — рН 0-7) белок становится катионом, при ее понижении (среда щелочная- рН 7 -14), наоборот, белковые частицы становятся анионами. Такая способность белка проявлять или кислотные, или щелочные свойства характеризует его как амфотерное соединение.

Однако при определенных значениях рН число положительных зарядов белка будет равно числу отрицательных и заряд молекулы в целом будет практически равен нулю. Белковая молекула не будет перемещаться в электрическом поле. При этих условиях белок находится в изоэлектрическом состоянии; рН раствора, при котором белок находится в изоэлектрическом состоянии, называется изоэлектрической точкой. Изоэлектрическая точка большинства природных белков лежит в слабокислой среде (рН 4,8-5,4). Молекула таких белков содержит больше карбоксильных групп, чем аминных. Это свидетельствует о том, что в их составе содержится больше дикарбоновых аминокислот (см. Аминокислоты). В изоэлектрической точке белок находится в наименее устойчивом состоянии и при незначительных изменениях рН среды в кислую или щелочную сторону он легко выпадает в осадок.

Амфотерность белков лежит в основе белковой буферной системы, которая участвует в поддержании определенной реакции среды крови. Амфотерные свойства белков используются для разделения их на отдельные фракции (метод электрофореза) с целью диагностики различных заболеваний и контроля за состоянием больного.

Белки — гидрофильные соединения

Все белки обладают гидрофильными свойствами, т. е. имеют большое сродство с водой. Стабильность белковой молекулы в растворе обусловлена наличием определенного заряда и гидратной (водной) оболочки. В случае удаления этих двух факторов устойчивости белок выпадает в осадок. Выпадение белка в осадок может быть обратимым и необратимым. Обратимое осаждение белков (высаливание) возможно при действии концентрированных растворов солей щелочных или щелочно-земельных металлов, например (NH₄)₂SО₄, NaCl. Удаление этих веществ способствует переводу белков вновь в нативное (природное) состояние. Высаливание белков, таким образом, является обратимым процессом. В зависимости от концентрации соли в осадок будут переходить различные фракции белков. Так, глобулины крови осаждаются при полунасыщении растворов солями, а альбумины — при полном насыщении. Эта способность белков нашла широкое промышленное применение при получении различных фракций белков, например γ-глобулинов.

Рис. 11. Схема денатурации. а — нативная молекула; б — развертывание; в — случайный клубок

При необратимых реакциях осаждения белки претерпевают глубокие изменения и неспособны к обратному растворению. Это наблюдается при действии на белок солей тяжелых металлов, сильных кислот и щелочей и т. д. При нагревании до 100° белок выпадает в осадок, при этом в нем происходят необратимые внутримолекулярные превращения, связанные с изменением многочисленных свойств белка, в том числе биологических. Белок, потерявший свои нативные свойства, называется денатурированным, а сам процесс — денатурацией. Схема этого процесса представлена на рис. 11.

Это свойство белков используется в клинике. При отравлении тяжелыми металлами больному вводят per os молоко или сырые яйца с тем, чтобы металлы, денатурируя белки яйца или молока, адсорбировались на их поверхности, не действовали на белки кишечника и желудка и не всасывались в кровь.

В настоящее время установлено, что при кратковременном действии денатурирующего агента денатурированные белки могут перейти обратно в нативное состояние. Этот процесс называется ренатурацией.

Химическое строение белков

Знание свойств белков и их элементарного состава не дает еще представления об их химической структуре.

Для ее изучения используют различные методы, в том числе гидролиз. Он представляет собой процесс расщепления белков на составные части при участии воды и нагревании. Гидролиз может быть 3 видов:

• кислотный,

• щелочной,

• ферментативный.

Для кислотного гидролиза применяются концентрированные растворы соляной и серной кислот и нагревание в течение 24 часов при температуре 100-110°. Щелочной гидролиз протекает при тех же условиях в присутствии 2N растворов щелочей. Ферментативный гидролиз обеспечивает расщепление белков при действии протеолитических ферментов при температуре 37-38°.

Однако ни один из этих видов гидролиза не лишен недостатков. При кислотном и щелочном гидролизах частично разрушаются некоторые составные части белка, а при ферментативном происходит засорение гидролизата продуктами распада самих ферментов. Поэтому, используя данные только всех видов гидролиза, можно получить полное представление о составе белков.

Конечными продуктами гидролиза белков являются аминокислоты. В результате длительных исследований было установлено, что в состав природных белков входит 20 аминокислот в различных сочетаниях. В настоящее время синтезировано около 80 новых аминокислот, которые не встречаются в составе белков организма.

Аминокислоты

Аминокислоты представляют собой органические кислоты, у которых водород α-углеродного атома замещен аминогруппой — NH₂, т. е. это αаминокислоты.

Общая формула аминокислот следующая:

Если у α-углеродного атома все валентности замещены различными функциональными группами (R-радикал не повторяет имеющиеся группы), то такой С-атом называют асимметрическим, а аминокислоту — оптически активной. Она способна вращать плоскость поляризованного луча и иметь стереоизомеры.

Например, в природе существуют 2 стереоизомера аланина.

Они различаются расположением аминогруппы у α-углеродного атома. D-Аланин характеризуется тем, что мысленное направление вращения от водорода к аминогруппе через метильную группу идет по часовой стрелке; у его изомера L-аланина это направление противоположное. Вещества, содержащие два стереоизомера, называются рацематами и обозначаются как D, L-вещества. Все природные аминокислоты относятся к L-ряду.

Свойства аминокислот

Все аминокислоты являются амфотерными электролитами и в растворе находятся в ионизированном состоянии за счет диссоциации карбоксильных и аминных групп.

Аминокислоты являются электрически нейтральными. Однако в кислой среде (при подавлении диссоциации карбоксильной группы) они становятся катионами, а в щелочной среде — анионами.

Классификация аминокислот

Все аминокислоты по структуре подразделяются на ациклические и циклические.

Ациклические аминокислоты по количеству аминных или карбоксильных групп делятся на:

1. моноаминомонокарбоновые аминокислоты, имеющие в своем составе одну аминную и одну карбоксильную группу; в водном растворе они нейтральны;

2. моноаминодикарбоновые аминокислоты, имеющие в своем составе одну аминную группу и две карбоксильные; их водный раствор имеет кислую реакцию;

3. диаминомонокарбоновые аминокислоты, в которых на одну карбоксильную группу приходятся две аминные; и; реакция в растворе щелочная.

Ациклические аминокислоты

Моноаминомонокарбоновые аминокислоты

К этой группе относятся следующие аминокислоты:

L-Глицин, или гликокол (аминоуксусная кислота):

Эта аминокислота является оптически неактивной, так как у нее отсутствует асимметричный С-атом. Гликокол принимает участие в синтезе важнейших для организма веществ: нуклеиновых кислот, глютатиона, парных желчных кислот и др. Участвует в обезвреживании бензойной кислоты.

L-Аланин (α-аминопропионовая кислота):

Впервые была получена в 1850 г. синтетическим путем и только в 1886 г. выделена из гидролизата шелка как природная. При ее дезаминировании образуется пировиноградная кислота. Помимо α-аланина, в организме встречается β-аланин, который входит в состав пантотеновой кислоты, коэнзима А, экстрактивных веществ мышц.

L-Серин (α-амино-β-оксипропионовая кислота):

Серии входит в состав ряда белков организма, много его содержится в казеине — белке молока. В процессах обмена веществ участвует фосфорный эфир серина — фосфосерин.

L-Треонин (α-амино-β-оксимасляная кислота):

Серии и треонин относятся к группе оксикислот, так как имеют в своем составе гидроксильный радикал.

L-Цистеин (α-амино-β-тиопропионовая кислота):

Наличие в молекуле SH-группы характеризует ее способность легко окисляться, что имеет большое значение в организме как средство защиты от веществ с высокой окислительной способностью, которые появляются при лучевом поражении, при отравлении мышьяком, фосфором и другими ядами.

Две молекулы цистеина, окисляясь, соединяются в цистин:

Особенностью этого соединения является наличие дисульфидной связи (-S-S-), которая встречается в составе третичной структуры белков.

L-Метионин (α-амино-β-тиометилмасляная кислота):

Особенностью этой кислоты является наличие лабильной (легкоподвижной) метильной группы, которую метионин может отдавать для синтеза других соединений, таких, как холин — липотропный фактор, предупреждающий жировую инфильтрацию печени, креатин — экстрактивное вещество мышц, ДНК и др.

L-Валин (α-аминоизовалериановая кислота):

L-Лейцин (α-аминоизокапроновая кислота):

Эти две аминокислоты в организме не синтезируются, и поэтому их необходимо регулярно вводить с пищей.

Моноаминодикарбоновые аминокислоты

L-Глютаминовая кислота (α-аминоглютаровая кислота):

L-Аспарагиновая кислота (α-аминоянтарная кислота):

Эти две аминокислоты имеют важное значение в обмене веществ в организме, участвуя в процессах биосинтеза белка, обезвреживании аммиака, в том числе в мозге, образовании других аминокислот. Производные глютаминовой и аспарагиновой кислот — α-кетоглютаровая и щавелевоуксусная кислоты — являются важными субстратами в энергетическом обмене. Другое производное глютаминовой кислоты — γ-аминомасляная кислота — участвует в процессах торможения в нервной системе. Натриевая соль глютаминовой кислоты широко применяется в. пищевой промышленности для улучшения вкуса продуктов питания.

Диаминомонокарбоновые кислоты

L-Лизин (α, ε-диаминокапроновая кислота):

Эта аминокислота в организме не синтезируется, и поэтому необходимо ее регулярное поступление с пищей. Недостаток лизина в питании приводит к задержке роста, к нарушению процессов биосинтеза белка.

L-Аргинин (α-амино-δ-гуанидинвалериановая кислот)

Аргинин, кроме участия в синтезе белков, является одним из основных компонентов в процессе биосинтеза мочевины основного пути обезвреживания аммиака в организме.

Циклические аминокислоты

Циклические аминокислоты имеют в своем составе ароматическое или гетероциклическое ядро. В эту группу входят:

L-Фенилаланин (α-амино-β-фенилнропионовая кислота). Эта аминокислота является незаменимой для организма, так как участвует в процессах биосинтеза белка, но в организме не синтезируется. Потребность покрывается за счет пищевых продуктов животного происхождения, где фенил-аланин содержится в достаточном количестве.

Под действием фермента фенилаланин-4-гидроксилазы фенилаланин превращается в другую аминокислоту — тирозин.

L-Тирозин (параоксифенилаланин):

Тирозин, помимо участия в синтезе белков, является предшественником ряда гормонов: тироксина — гормона щитовидной железы, адреналина и норадреналина — гормонов мозгового слоя надпочечников и др.

L-Триптофан (α-амино-β-индолилпропионовая кислота):

Триптофан, как и фенилаланин, является незаменимой минокислотой, в организме он не синтезируется и должен регулярно поступать с пищей. Его функции следующие: участие в биосинтезе белков, образование витамина РР (никотиновая кислота), серотонина — одного из представителей биогенных аминов, триптамина — вещества, вызывающего сужение сосудов и пр.

L-Гистидин (α-амино-β-амидазолилпропионовая кислота):

К функциям гистидина относятся биосинтез белка, образование гистамина — биогенного амина, расширяющего сосуды, и пр.

Структура белков

Выяснение особенностей структуры белков представляет собой важную и не менее сложную задачу. Это связано с тем, что знание закономерностей строения белков позволит проникнуть в тайны живого, даст в руки людей методы и способы, с помощью которых будет осуществлен искусственный синтез белка — основного носителя жизни. Вот почему изучению структуры белка уделялось и уделяется сейчас самое большое внимание, вот почему решению этой задачи отдали свой труд, все свои силы многие ученые мира. И первым, кто внес значительный вклад в дело изучения этого вопроса, был наш отечественный ученый профессор А. Я. Данилевский. В своих работах, опубликованных в 1888 г., он высказал предположение, что аминокислоты, входящие в состав белка, соединяются между собой при помощи пептидной связи:

Качественной реакцией на существование такой связи является биуретовая реакция.

В дальнейшем предположение А. Я. Данилевского было подтверждено экспериментально. Эта связь образуется NH₂-группой одной аминокислоты и СООН-группой другой:

Соединение, состоящее из двух аминокислот, называется дипептидом, из трех — трипептидом и т. д.

Впервые полипептид из 19 аминокислот удалось синтезировать Э. Фишеру. Некоторые из полученных им полипептидов оказались тождественными с полипептидами, получаемыми при гидролизе природных белков.

Рис. 12. Первичная структура инсулина

Однако дальнейшее изучение структуры белков стало возможным только в 40-50-х годах нашего столетия, когда на помощь ученым пришли новые методы исследования, такие, как рентгеноструктурный анализ, различные виды хроматографии, электрофорез, метод двойного лучепреломления и др. В результате этих исследований было установлено, что каждый белок имеет в своем составе известное количество определенных аминокислот, соединенных между собой в строго зафиксированной последовательности при помощи пептидных связей. Эта уникальная, специфичная для каждого белка последовательность аминокислот была определена как первичная структура белка. В настоящее время для ряда белков определена их первичная структура. Например, для инсулина — гормона поджелудочной железы белковой природы — установлена последовательность 51 аминокислотного остатка, входящего в его состав, что позволило получить его искусственным путем. На рис. 12 представлена первичная структура инсулина. Черные линии между молекулами цистеина — дисульфидные связи. В настоящее время выяснено, в какой последовательности соединяются 129 остатков аминокислот, входящих в состав рибонуклеазы — фермента, расщепляющего РНК.

Рис. 13. Молекулярная модель полипептидной цепи, свернутой в спираль

Дальнейшие исследования показали, что полипептидная цепь находится в молекуле белков в закрученном состоянии в виде α-спирали (рис. 13). Впервые такое предположение было выдвинуто Л. Полингом и подтверждено в последующих работах экспериментально. Спирализация полипептидной цепи обеспечивается водородными связами, которые возникают между аминными и карбоксильными группами, расположенными на противоположных витках спирали. Водородная связь представляет собой соединение за счет водорода, находящегося между двумя сильно отрицательными атомами. Это видно на примере воды (пунктирная линия обозначает водородную связь, образованную между двумя атомами кислорода):

Во вторичной структуре белков эту связь схематично можно представить следующим образом

Стрелками обозначены водородные связи.

Рис. 14. Участок вторичной структуры белка. Пунктирные линии обозначают водородные связи

Такое расположение полипептидной цепи было определено как вторичная структура белка. Схематично она представлена на рис 14.

Рис. 15. Трехмерная модель гемоглобина, иллюстрирующая третичную структуру. Темные диски — гематиновые группы (по Кендрю)

Пространственное взаиморасположение участков спиралей полипептидных цепей определяется как третичная структура (рис. 15 и 16). Основным видом связи, удерживающим спирали в определенном положении, является дисульфидная связь, которая возникает между двумя молекулами цистеина:

Рис. 16. Третичная структура миоглобина. Направление полипептидной цепи

Это довольно прочная связь, которая может разрываться под действием сильных факторов, таких, как высокая температура — 80-90°, сильные кислоты или щелочи, алкоголь и др. При денатурации белка происходит разрыв дисульфидных связей и раскручивание полипептидной цепи (см. рис. 16).

Следует отметить, что указанные выше типы связей являются определяющими для каждого уровня организации белковой молекулы, но они встречаются и на других структурах. В молекуле белков имеются и иные типы связей, например различные ковалентные связи, силы Ван-дер-Ваальса и т. д.

Молекулы многих белков состоят из нескольких индивидуальных полипептидных цепей, определенным образом связанных друг с другом. Каждая из них может иметь свою собственную первичную, вторичную и третичную структуры. К таким белкам относится гемоглобин, молекула которого состоит из 4 полипептидных цепей и не содержит ни одного дисульфидного мостика. О таких белках говорят, что они обладают четвертичной структурой.

В зависимости от пространственною расположения полипептидной цепи (третичная структура) молекулы белков могут быть различной формы. Если полипептидная цепь уложена в виде клубка, то молекула белка имеет в сущности шаровидную форму. Такие белки называются глобулярными (лат. globulus — шарик). В другой группе белков полипептидные цепи образуют молекулы нитевидной формы и белки называются фибриллярными (лат. fibrilla — нить). Эти белки различаются и по своим свойствам. Так, глобулярные белки хорошо растворимы в воде, фибриллярные — плохо или совсем не растворимы. Представителями глобулярных белков являются яичный белок, казеин молока, белки сыворотки крови и т. д. К фибриллярным белкам относятся белки опорных тканей: белки мышц — миозин, белки костей — оссеин, кератин, крови — фибрин и др.

Видовая и тканевая специфичность белков

Каждый вид животного организма отличается по количеству и составу содержащихся в нем веществ. Это в полной мере относится и к белкам. Так, при изучении состава гемоглобина разных видов животных и человека были обнаружены определенные, строго специфические различия, например в отношении входящих в его состав аминокислот. Так, в табл. 2 показано различное содержание двух аминокислот — метионина и цистеина в гемоглобине человека, собаки и крупного рогатого скота.

Таблица 2. Содержание метионина и цистеина в гемоглобине в процентах

Различия обнаружены при изучении состава инсулина и ряда других белков. Наряду с этим существуют определенные различия в составе белков в зависимости от возраста. Так, у плода человека в крови обнаружен специфический вид гемоглобина, который называется фетальным. Этот вид гемоглобина после рождения практически исчезает. При изучении его структуры также были выявлены определенные изменения аминокислотного состава по сравнению с гемоглобином взрослого человека.

Эти данные свидетельствуют о том, что структура белка внутри одного вида строится по вполне определенному плану, специфичному именно для представителей данного вида.

Важно отметить, что внутри одного и того же вида имеются и индивидуальные различия в составе белка. Показано, что одни особи обладают только одним видом гемоглобина и β-лактоглобулином молока, у других встречается смесь двух различных видов этих белков. Существуют и наследственные различия в составе белков, что в ряде случаев является причиной тяжелых наследственных заболеваний.

Приведенные примеры касались в основном гемоглобина как наиболее изученного белка, но все сказанное в полной мере относится и к другим белкам.

Вопрос тканевой специфичности белков в основе своей повторяет их видовую специфичность. Белки мышечной .ткани отличаются от белков костей или печени. Это можно подтвердить на примере ферментов. Например, и в печени, и в сердечной мышце находится фермент лактатдегидрогеназа, катализирующий синтез молочной кислоты. При детальном изучении свойств ферментов оказалось, что, несмотря на их одинаковую функцию, они различаются по некоторым свойствам Таким образом, каждый вид, каждый представитель этого вида, как и любая ткань, а возможно и клетка, характеризуется наличием строго специфичных белков, определяющих их индивидуальность.

Классификация белков

Все белки в зависимости от состава и структуры делятся на простые — протеины, которые состоят только из аминокислот, и сложные — протеиды, в молекуле которых, помимо белковой части, имеется еще и небелковая часть — простетическая группа.

Простые белки

Представителями простых белков являются альбумины и глобулины. Эти виды белков широко представлены в организме. Альбумины и глобулины практически встречаются во всех животных и растительных клетках и в большинстве жидкостей организма (плазма крови, сыворотка молока и др.). В сыворотке крови между альбуминами и глобулинами существует определенное отношение — альбумино-глобулиновый коэффициент (показатель А/Г).

По своим свойствам альбумины отличаются от глобулинов. Альбумины растворимы в воде, а глобулины — только в разбавленных растворах нейтральных солей. Молекулярный вес альбуминов меньше, чем глобулинов. Поэтому альбумины выпадают в осадок при полном насыщении водного раствора нейтральными солями, тогда как глобулины высаливаются при полунасыщении раствора. Этим свойством пользуются для получения антитоксических сывороток (противодифтерийная, противококлюшная и др.), так как антитоксины по своей химической природе являются γ-глобулинами.

Сложные белки — протеиды

Как уже было отмечено, сложные белки состоят из белковой части и небелковой — простетической группы, которая может быть представлена различными соединениями. Название протеидов зависит от названия простетической группы. К сложным белкам относятся: нуклеопротеиды, небелковая часть которых представлена нуклеиновыми кислотами; хромопротеиды — сложные белки, простетическая группа которых является окрашенным соединением, фосфопротеиды, имеющие в своем составе остатки фосфорных кислот; липопротеиды и глюкопротеиды Простетическими группами последних являются соответственно жиры и углеводы.

Нуклеопротеиды

Значение этого класса протеидов трудно переоценить, потому что они входят во все клетки организма и выполняют основные жизненные функции — являются носителями генетической информации и участвуют в биосинтезе белка. Белковая часть нуклеопротеидов представлена в основном протаминами и гистонами. Небелковая часть — это рибо- и дезоксирибонуклеиновые кислоты. Строение нуклеопротеидов представлено на следующей схеме:

Схема 1

Нуклеопротеиды — это соединения с высоким молекулярным весом — от 25 000 до 1 000 000 и выше, состоящие из огромного числа мономеров — мононуклеотидов. Последние состоят из азотистых оснований, пентоз и остатка фосфорной кислоты.

Из пентоз в мононуклеотидах представлены рибоза и дезоксирибоза:

Азотистые основания являются производными пуринов или пиримидинов.

К пуриновым основаниям относятся аденин — 6-амино-пурин и гуанин — 2-амино-6-оксипурин.

Из пиримидиновых оснований в нуклеиновые кислоты входят урацил — 2,6-диоксипиримидин, тимин — 5-метилурацил и цитозин — 2-окси-6-аминопиримидин.

Эти соединения могут находиться как в кетонной, так и в энольной формах. В составе нуклеиновых кислот пиримидиновые основания представлены только кетонной формой.

Таким образом, мононуклеотид имеет следующую структуру:

Адениловая кислота (аденозинмонофосфорная кислота)

Уридиловая кислота (урицинмонофосфорная кислота)

Мононуклеотиды могут содержать в своем составе 1, 2 или 3 остатка фосфорной кислоты. Например, аденозинмоно-, ди- и трифосфорные кислоты, которые обозначаются как АМФ, АДФ, АТФ.

Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ)

Трифосфорные кислоты этих азотистых оснований играют в организме очень большую роль, так как они являются гак называемыми макроэргическими соединениями — соединениями, богатыми энергией. Как установлено, в молекуле макроэргических соединений, например АТФ, энергия сосредоточена в химической связи между третьим остатком фосфорной кислоты и остальной частью молекулы АТФ. Эта связь называется макроэргической связью и обозначается значком ~. При распаде АТФ на АДФ и Н₃РО₄ выделяется энергия, которая была заключена в этой связи, примерно 8-10 ккал. Соответственно этому для синтеза АТФ, кроме АДФ и фосфорной кислоты, необходимо аналогичное количество энергии. Механизм действия других макроэргических соединений одинаков с рассмотренным

Мононуклеотиды, входящие в состав нуклеиновых кислот, соединяются между собой по типу "3-5 связи". Это означает, что соединение происходит путем образования эфирных связей между остатком фосфорной кислоты и двумя гидроксилами: одним, находящимся у 3-го углеродного атома пентозы одного мононуклеотида, и другим, расположенным у 5-го углеродного атома пентозы последующего мононуклеотида. Соединенные таким путем мононуклеотиды характеризуют первичную структуру нуклеиновых кислот.

Первичная структура ДНК

В зависимости от входящего в их состав углевода — рибозы или дезоксирибозы нуклеиновые кислоты подразделяются на рибонуклеиновые и дезоксирибонуклеиновые кислоты, или, сокращенно, РНК и ДНК. Они различаются по структуре, месту нахождения и функциям.

ДНК в основном сосредоточена в ядре (и ядрышке) клетки. Ее главная функция заключается в том, что она является носителем наследственности. Генетические особенности каждого индивидуума заключены в определенной последовательности азотистых оснований, входящих в состав первичной структуры ДНК (см. Биосинтез белка).

Рис. 17. Вторичная структура ДНК (двойная спираль). У — углевод (дезоксирибоза); Р — остаток фосфорной кислоты; А, Т, Г, Ц — азотистые основания

Структура ДНК имеет свои особенности. Это относится в первую очередь к азотистым основаниям. Установлено, что в молекуле ДНК встречаются следующие основания: аденин, гуанин, тимин и цитозин, которые часто обозначаются первыми буквами — А, Г, Т и Ц. При дальнейшем изучении структуры ДНК оказалось, что ее вторичная структура представляет собой двутяжную антипараллельную спираль. Схематично это напоминает винтовую лестницу (рис. 17), перила которой образованы пентозами, соединенными фосфоэфирными связями по типу "3-5 связи", а ступени — парами азотистых оснований, которые соединены между собой водородными связями. Между аденином и тимином образуются две связи, а при соединении гуанина и цитозинатри. Работами С. Очоа, Э. Чаргаффа и других были установлены определенные взаимоотношения между азотистыми основаниями, входящими в состав ДНК Они заключаются в том, что во вторичной структуре ДНК определенное пуриновое основание всегда соединяется только с вполне определенным пиримидиновым основанием. Так, аденин соединяется только с тимином, а гуанин с цитозином (или А Т и Г Ц). В основе такого соединения лежит принцип комплементарнобти дополнения (рис. 18). На рис. 17 представлен участок вторичной структуры ДНК, на котором обо значены типы связей: "3-5 связь" между отдельными мононуклеотидами и водородные связи между азотистыми основаниями.

Рис. 18. Двойная нить ДНК

Еще одной особенностью вторичной структуры ДНК является противоположное расположение двух цепей мононуклеотидов. На рис. 19 стрелками указано антипараллельное направление этих цепей. Рассмотренная модель вторичной структуры ДНК была впервые предложена Дж. Уотсоном и Ф. Криком.

Рис. 19. Схема водородной и фосфоэфирных связей на участке вторичной структуры молекулы ДНК

Третичная структура ДНК — это расположенная в пространстве двутяжная антипараллельная спираль.

РНК обнаружена почти во всех субклеточных фракциях. Наибольшее ее количество (60-80%) сосредоточено в рибосомах, а оставшаяся часть распределена в цитоплазме и ядрышке. РНК представлена 3 видами: информационная (и-РНК), транспортная (т-РНК) и рибосомная (р-РНК), каждая из которых характеризуется специфическими свойствами и функциями. и-РНК, или матричная, является основой (матрицей) для биосинтеза белка. На и-РНК закодированы генетические особенности данного вида белка определенного органа или ткани. и-РНК строится на ДНК и, следовательно, комплементарно повторяет особенности ее структуры. т-РНК переносит активированные аминокислоты к местам биосинтеза белка — рибосомам, которые в основном построены из рибосомальной РНК (р-РНК).

Первичная структура РНК

Рис. 20. Схема водородных связей на участке вторичной структуры молекулы РНК

В составе РНК обнаружены фосфорная кислота, из углеводов — рибоза вместо дезоксирибозы в ДНК и азотистые основания — аденин, гуанин, цитозин и урацил (в ДНК — тимин) — А, Г, Ц и У. Первичная структура РНК одинакова с первичной структурой ДНК и представляет собой последовательное соединение мононуклеотидов при помощи фосфоэфирных связей. Вторичная структура РНК представляет собой участки первичной структуры, перекрученные между собой в виде спирали, которые удерживаются за счет водородных связей, образованных между азотистыми основаниями по принципу комплементарное, т. е. А — У и Г — Ц. Таким образом, существует различие с ДНК, где вместо тимина к аденину присоединяется урацил (рис. 20), Третичная структура РНК — это пространственное расположение всей молекулы РНК (рис. 21).

Рис. 21. Участок третичной структуры молекулы РНК. 1 — участки первичной структуры, 2 — участки вторичной структуры

Хромопротеиды

Небелковая часть этих сложных белков представлена окрашенными соединениями Представителями хромопротеидов в животном организме являются гемоглобин и миоглобин, а в растительных клетках — хлорофилл. К группе хромопротеидов относятся некоторые ферменты, например каталаза и пероксидаза крови. Приоритет в изучении химической природы красящего вещества гемоглобина принадлежит М. В. Ненцкому. Гемоглобин состоит из белка основного характера — глобина и небелковой части — гема, в составе которого имеется атом двухвалентного железа. В молекуле гемоглобина обнаружено 4 гема.

Гемоглобин (Нb) в организме может находиться в разных формах. Оксигемоглобин — НbO₂ — характеризует важнейшую биологическую функцию гемоглобина — снабжение клеток организма кислородом. Присоединение кислорода к гемоглобину происходит за счет специфических (координационных) связей с железом. При этом окисления железа не происходит и оно остается двухвалентным. Такая связь является весьма непрочной и легко разрывается при изменении парциального давления. Присоединение кислорода к гемоглобину происходит в легких, откуда кровью НbO₂ разносится ко всем органам и тканям, где кислород освобождается и используется клетками. Гемоглобин же присоединяет к себе один из конечных продуктов обмена веществ, в клетках — углекислый газ — и транспортирует его к легким. Здесь СO₂ отщепляется и выводится из организма при дыхании. Освободившийся гемоглобин вновь присоединяет кислород и процесс транспорта газа повторяется.

Соединение гемоглобина с угарным газом — СО называется карбоксигемоглобином — НbСО. НbСО образуется при отравлении организма угарным газом и намного прочнее связывается с гемоглобином, чем кислород, и выключает таким образом гемоглобин из транспорта кислорода. Соответственно к органам и тканям поступает меньше кислорода, в результате чего возникает кислородное голодание, а снижение поступления кислорода к мозгу приводит к потере сознания.

При окислении гемоглобина окислителями валентность железа изменяется и оно становится трехвалентным, а гемоглобин превращается в метгемоглобин — HbOH.

Рис. 22. Спектры поглощения. 1 — солнечный спектр; 2 — оксигемоглобин; 3 — гемоглобин; 4 — карбоксигемоглобин; 5 — метгемоглобин

Одним из методов распознавания производных гемоглобина является исследование их спектров поглощения. Как установлено, при прохождении луча белого света через призму он разлагается на ряд цветных лучей, видимых на экране, от красного до фиолетового, что дает известную картину спектра, как, например, радуга. Если на пути луча между источником света и призмой поместить раствор с веществом, способным к поглощению луча с определенной длиной волны, то в определенных местах должны появиться темные, неосвещенные участки. Такой спектр называется спектром поглощения (рис. 22). Сам гемоглобин (рис. 22, 3) дает одну широкую темную полосу между линиями D и Е. НbО₂ (рис. 22, 2) в этих же границах дает две темные линии, и НbCO (4) и НbОН (5) показывают свои специфические спектры поглощения.

Миоглобин — хромопротеид мышц — дыхательный пигмент мышц. Особенностью миоглобина является его более легкая способность присоединять кислород и значительно труднее по сравнению с гемоглобином его отдавать. Миоглобин создает запасы кислорода в мышцах, количество которого может достигать 14% всего кислорода организма. Это имеет важное значение, особенно для деятельности мышцы сердца. В мышцах морских животных (тюлень, морж, кашалот) высокое содержание миоглобина позволяет им длительное время находиться под водой, несмотря на отсутствие жабер.

Глюкопротеиды

Это сложные белки, простетическая группа которых представлена производными углеводов, среди которых встречаются аминосахара, гексуроновые кислоты и др. В составе отдельных глюкопротеидов обнаружены остатки серной и уксусной кислот Глюкопротеиды составляют основу муцинов — слизистых веществ, которые встречаются в большом количестве в секретах желудочно-кишечного тракта, подчелюстной слюнной железы.

Фосфопротеиды

Соединения этого класса сложных белков характеризуются наличием фосфорной кислоты. Представителями являются казеиноген молока, вителлин — белок, выделенный из желтков яиц, ихтулин — белок рыбьей икры и др. Фосфопротеиды являются питательным материалом для растущих организмов.

Липопротеиды

Липопротеиды представляют собой комплексные соединения белка и различных жиров (холестерина, нейтрального жира, фосфолипидов и др.). У растворимых липопротеидов белковая часть расположена на поверхности молекулы. В организме различные их фракции, например α- и β-липопротеиды, обнаружены в составе плазмы крови, нервной ткани, а также в яичном желтке, молоке.

Одной из основных функций липопротеидов является транспорт жира.

Концентрация липопротеидов в сыворотке крови меняется при отдельных заболеваниях, поэтому их определение имеет диагностическое значение, как, например; при атеросклерозе, когда увеличено содержание β-липопротеидов.

Вопросы для повторения

1. Дайте определение белков.

2. Назовите основные функции белков.

3. Чем отличаются по элементарному составу белки от углеводов и жиров?

4. Каковы основные свойства белков?

5. Что такое изоэлектрическая точка белков?

6. Изоэлектрическая точка большинства природных белков рН 4,8. Какие аминокислоты преобладают в их составе (моноаминомонокарбоновые, диаминомонокарбоновые, моноаминодикарбоновые)?

7. Какие факторы обеспечивают устойчивость белковой молекулы в растворе?

8. Какие изменения в белковой молекуле происходят при ее денатурации?

9. Что такое гидролиз? Какие известны виды гидролизу?

10. Сколько всего аминокислот (учитывая их повторение) содержится в белковой молекуле?

11. Как классифицируются аминокислоты?

12. Что понимают под первичной структурой белков?

13. Какая связь формирует первичную структуру белков?

14. Что такое вторичная, третичная структура белков?

15. Какие типы связей являются характерными для вторичной, третичной структуры белков?

16. Что такое видовая, тканевая специфичность белков?

17. Дайте определение простым и сложным белкам. Приведите примеры.

18. Что такое простетическая группа? Приведите примеры.