Общая структура белков
Определить содержание белка вы сможете с помощью Анализатора качества молока Лактан 600 Ультра
Купить Ультразвуковой анализатор качества молока «Лактан» исп. 600 УЛЬТРА (расширенный) <----
Белок — очень сложное вещество, которое присутствует во всех живых организмах. Белки имеют большую пищевую ценность и принимают непосредственное участие в химических процессах, необходимых для жизни. Важность белков была признана химиками в начале XIX века, в том числе шведским химиком Йонсом Якобом Берцелиусом, который в 1838 году ввел термин «белок» — слово, образованное от греческого prōteios, что означает «занимающий первое место». Белки являются видоспецифичными, то есть белки одного вида отличаются от белков другого вида. Они также являются органоспецифичными; например, в пределах одного организма белки мышц отличаются от белков мозга и печени.
Молекула белка очень велика по сравнению с молекулами сахара или соли и состоит из множества аминокислот, соединенных вместе и образующих длинные цепочки, подобно тому, как бусины нанизываются на нитку. Существует около 20 различных аминокислот, которые встречаются в белках в естественном виде. Белки с одинаковыми функциями имеют схожий аминокислотный состав и последовательность. Хотя пока невозможно объяснить все функции белка на основе последовательности аминокислот, установленные корреляции между структурой и функцией можно отнести к свойствам аминокислот, входящих в состав белков.
Растения могут синтезировать все аминокислоты, а животные — нет, хотя все они необходимы для жизни. Растения могут расти в среде, содержащей неорганические питательные вещества, которые обеспечивают азот, калий и другие вещества, необходимые для роста. Они используют углекислый газ, содержащийся в воздухе, в процессе фотосинтеза для образования органических соединений, таких как углеводы. Животные, однако, должны получать органические питательные вещества из внешних источников. Поскольку содержание белка в большинстве растений низкое, очень большое количество растительного материала требуется животным, таким как жвачные животные (например, коровы), которые питаются только растительным материалом, чтобы удовлетворить свои потребности в аминокислотах. Нежвачные животные, включая человека, получают белки в основном от животных и их продуктов — например, мяса, молока и яиц. Семена бобовых растений все чаще используются для приготовления недорогой пищи, богатой белком (см. питание человека).
Содержание белка в органах животных обычно намного выше, чем в плазме крови. Например, мышцы содержат около 30 процентов белка, печень — от 20 до 30 процентов, а эритроциты — 30 процентов. Более высокий процент белка содержится в волосах, костях и других органах и тканях с низким содержанием воды. Количество свободных аминокислот и пептидов в организме животных гораздо меньше, чем количество белка; молекулы белка образуются в клетках путем поэтапного выравнивания аминокислот и выделяются в жидкости организма только после завершения синтеза.
Высокое содержание белка в некоторых органах не означает, что важность белков связана с их количеством в организме или ткани; напротив, некоторые из наиболее важных белков, такие как ферменты и гормоны, встречаются в чрезвычайно малых количествах. Важность белков связана главным образом с их функцией. Все ферменты, идентифицированные до сих пор, являются белками. Ферменты, которые являются катализаторами всех метаболических реакций, позволяют организму создавать необходимые для жизни химические вещества — белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и липиды — превращать их в другие вещества и разрушать их. Жизнь без ферментов невозможна. Существует несколько белковых гормонов с важными регуляторными функциями. У всех позвоночных животных дыхательный белок гемоглобин выполняет функцию переносчика кислорода в крови, доставляя кислород из легких к органам и тканям организма. Большая группа структурных белков поддерживает и защищает структуру тела животных.
Аминокислотный состав белков
Общим свойством всех белков является то, что они состоят из длинных цепочек α-амино (альфа-амино) кислот. Общая структура α-аминокислот показана на рисунке.
α-аминокислоты называются так потому, что α-углеродный атом в молекуле несет аминогруппу (-NH2); α-углеродный атом также несет карбоксильную группу (-COOH).
В кислых растворах, когда pH меньше 4, группы -COO соединяются с ионами водорода (H+) и таким образом преобразуются в незаряженную форму (-COOH). В щелочных растворах при pH выше 9 аммониевые группы (-NH+3) теряют ион водорода и превращаются в аминогруппы (-NH2). В диапазоне pH от 4 до 8 аминокислоты несут как положительный, так и отрицательный заряд и поэтому не мигрируют в электрическом поле. Такие структуры были названы диполярными ионами или цвиттерионами (т.е. гибридными ионами).
Хотя в природе, особенно в растениях, встречается более 100 аминокислот, в большинстве белков обычно присутствуют только 20 типов. В белковых молекулах α-аминокислоты соединены друг с другом пептидными связями между аминогруппой одной аминокислоты и карбоксильной группой соседней.
Конденсация (соединение) трех аминокислот дает трипептид.
Принято писать структуру пептидов таким образом, что свободная α-аминогруппа (также называемая N-концом пептида) находится слева, а свободная карбоксильная группа (C-концевая часть) — справа.
Белки — это макромолекулярные полипептиды,
Структуры распространенных аминокислот
Аминокислоты, входящие в состав белков, отличаются друг от друга структурой своих боковых ® цепей. Простейшей аминокислотой является глицин, в котором R — атом водорода. В ряде аминокислот R представляет собой прямые или разветвленные углеродные цепи. Одной из таких аминокислот является аланин, в котором R представляет собой метильную группу (-CH3). Валин, лейцин и изолейцин с более длинными группами R завершают серию алкильных боковых цепей. Алкильные боковые цепи (R-группы) этих аминокислот неполярны; это означает, что они не имеют сродства к воде, но имеют некоторое сродство друг к другу. Хотя растения могут образовывать все алкильные аминокислоты, животные могут синтезировать только аланин и глицин; поэтому валин, лейцин и изолейцин должны поступать с пищей.
Две аминокислоты, каждая из которых содержит три атома углерода, являются производными аланина; это серин и цистеин. Серин содержит спиртовую группу (-CH2OH) вместо метильной группы аланина, а цистеин содержит меркаптогруппу (-CH2SH). Животные могут синтезировать серин, но не цистеин или цистин. Цистеин встречается в белках преимущественно в окисленной форме (окисление в этом смысле означает удаление атомов водорода), называемой цистином. Цистин состоит из двух молекул цистеина, соединенных дисульфидной связью (-S-S-), которая образуется при удалении атома водорода из меркаптогруппы каждого из цистеинов. Дисульфидные связи важны для структуры белка, поскольку они позволяют соединять две различные части белковой молекулы и, таким образом, образовывать петли в прямых цепях. Некоторые белки содержат небольшое количество цистеина со свободными сульфгидрильными (-SH) группами.
В белках встречаются четыре аминокислоты, каждая из которых состоит из четырех атомов углерода; это аспартовая кислота, аспарагин, треонин и метионин. Аспартовая кислота и аспарагин, которые встречаются в больших количествах, могут быть синтезированы животными. Треонин и метионин не могут быть синтезированы и поэтому являются незаменимыми аминокислотами,
Белки также содержат аминокислоту с пятью атомами углерода (глутаминовая кислота) и вторичный амин (в пролине), который представляет собой структуру с аминогруппой (-NH2), соединенной с алкильной боковой цепью, образуя кольцо. Глутаминовая и аспаргиновая кислоты являются дикарбоновыми кислотами, то есть имеют две карбоксильные группы (-COOH).
Глутамин похож на аспарагин тем, что оба являются амидами соответствующих форм дикарбоновых кислот,
Аминокислоты пролин и гидроксипролин в большом количестве содержатся в коллагене — белке соединительной ткани животных. Пролин и гидроксипролин не имеют свободных аминогрупп (-NH2), поскольку аминогруппа заключена в кольцевую структуру с боковой цепью; таким образом, они не могут существовать в форме цвиттериона. Хотя азотсодержащая группа (>NH) этих аминокислот может образовывать пептидную связь с карбоксильной группой другой аминокислоты, образованная таким образом связь приводит к перегибу пептидной цепи,
Белки обычно представляют собой почти нейтральные молекулы; то есть они не обладают ни кислотными, ни основными свойствами. Это означает, что кислых карбоксильных (-COO-) групп аспаргиновой и глутаминовой кислот примерно поровну с аминокислотами с основными боковыми цепями. В белках встречаются три такие основные аминокислоты, каждая из которых содержит шесть атомов углерода. Лизин, имеющий самую простую структуру, синтезируется растениями, но не животными. Даже некоторые растения имеют низкое содержание лизина.
Аргинин содержится во всех белках; особенно много его в сильноосновных протаминах (простых белках, состоящих из относительно небольшого количества аминокислот) спермы рыб. Третья основная аминокислота — гистидин. И аргинин, и гистидин могут синтезироваться животными. Гистидин является более слабым основанием, чем лизин или аргинин. Имидазольное кольцо, пятичленная кольцевая структура, содержащая два атома азота в боковой цепи гистидина, действует как буфер (т.е. стабилизатор концентрации водородных ионов), связывая ионы водорода (H+) с атомами азота имидазольного кольца.
Остальные аминокислоты — фенилаланин, тирозин и триптофан — имеют общую ароматическую структуру,
Поскольку эти аминокислоты содержат бензольное кольцо, они могут поглощать ультрафиолетовый свет с длиной волны от 270 до 290 нанометров (нм; 1 нанометр = 10−9 метра = 10 единиц ангстрема). Фенилаланин поглощает очень мало ультрафиолетового света; тирозин и триптофан, однако, поглощают его сильно и ответственны за полосу поглощения, которую большинство белков демонстрируют при 280−290 нанометрах. Это поглощение часто используется для определения количества белка, присутствующего в образцах белка.
Большинство белков содержат только описанные выше аминокислоты; однако другие аминокислоты встречаются в белках в небольших количествах. Например, коллаген, содержащийся в соединительной ткани, помимо гидроксипролина содержит небольшое количество гидроксилизина. Другие белки содержат некоторое количество монометил-, диметил- или триметиллизина — то есть производных лизина, содержащих одну, две или три метильные группы (-CH3). Однако количество этих необычных аминокислот в белках редко превышает 1 или 2 процента от общего количества аминокислот.
Физико-химические свойства аминокислот
Физико-химические свойства белка определяются аналогичными свойствами входящих в его состав аминокислот.
Атом α-углерода всех аминокислот, за исключением глицина, является асимметричным; это означает, что к нему присоединены четыре различных химических элемента (атома или группы атомов). В результате каждая из аминокислот, за исключением глицина, может существовать в двух различных пространственных, или геометрических, расположениях (т.е. изомерах), которые являются зеркальными отражениями, подобно правой и левой руке.
Эти изомеры обладают свойством оптического вращения. Оптическое вращение — это вращение плоскости поляризованного света, который состоит из световых волн, колеблющихся только в одной плоскости, или направлении. Растворы веществ, которые вращают плоскость поляризации, называют оптически активными, а степень вращения — оптическим вращением раствора. Направление, в котором вращается свет, обычно обозначается как плюс, или d, для декстроротационных (вправо), или как минус, или l, для леворотационных (влево). Некоторые аминокислоты являются декстроротаторными, другие — леворотаторными. За исключением нескольких небольших белков (пептидов), которые встречаются у бактерий, аминокислоты, входящие в состав белков, являются L-аминокислотами.
В бактериях D-аланин и некоторые другие D-аминокислоты были обнаружены как компоненты грамицидина и бацитрацина. Эти пептиды токсичны для других бактерий и используются в медицине в качестве антибиотиков. D-аланин также был обнаружен в некоторых пептидах бактериальных мембран.
В отличие от большинства органических кислот и аминов, аминокислоты нерастворимы в органических растворителях. В водных растворах они представляют собой диполярные ионы (цвиттерионы, или гибридные ионы), которые реагируют с сильными кислотами или основаниями таким образом, что это приводит к нейтрализации отрицательно или положительно заряженных концов, соответственно. Благодаря своим реакциям с сильными кислотами и сильными основаниями, аминокислоты действуют как буферы-стабилизаторы концентрации водородных ионов (H+) или гидроксид-ионов (OH-).
Фактически, глицин часто используется в качестве буфера в диапазоне pH от 1 до 3 (кислые растворы) и от 9 до 12 (основные растворы). В кислых растворах глицин имеет положительный заряд и поэтому мигрирует к катоду (отрицательному электроду электрической цепи постоянного тока с клеммами в растворе). В щелочных растворах его заряд отрицательный, поэтому он мигрирует к аноду (положительному электроду). При pH 6,1 глицин не мигрирует, потому что каждая молекула имеет один положительный и один отрицательный заряд. pH, при котором аминокислота не мигрирует в электрическом поле, называется изоэлектрической точкой.
Большинство моноаминокислот (т.е. тех, которые имеют только одну аминогруппу) имеют изоэлектрические точки, подобные изоэлектрической точке глицина. Изоэлектрические точки аспаргиновой и глутаминовой кислот, однако, близки к pH 3, а гистидина, лизина и аргинина — к pH 7,6, 9,7 и 10,8 соответственно.
Последовательность аминокислот в белковых молекулах
Поскольку каждая молекула белка состоит из длинной цепи аминокислотных остатков, соединенных друг с другом пептидными связями, гидролитическое расщепление всех пептидных связей является необходимым условием для количественного определения аминокислотных остатков.
Гидролиз чаще всего осуществляется путем кипячения белка с концентрированной соляной кислотой. Количественное определение аминокислот основано на открытии того, что аминокислоты можно отделить друг от друга с помощью хроматографии на фильтровальной бумаге и сделать их видимыми, опрыскав бумагу нингидрином. Аминокислоты гидролизата белка отделяются друг от друга путем пропускания гидролизата через колонку адсорбентов, которые адсорбируют аминокислоты с различным сродством и, после промывки колонки буферными растворами, выделяют их в определенном порядке. Количество каждой из аминокислот можно определить по интенсивности цветной реакции с нингидрином.
Чтобы получить информацию о последовательности аминокислотных остатков в белке, белок деградирует поэтапно, отщепляя на каждом этапе одну аминокислоту. Это достигается путем соединения свободной α-аминогруппы (-NH2) N-концевой аминокислоты с фенил изотиоцианатом; последующий мягкий гидролиз не влияет на пептидные связи. Эта процедура, называемая деградацией Эдмана, может применяться многократно; таким образом, она позволяет выявить последовательность аминокислот в пептидной цепи.
Неизбежные небольшие потери, происходящие на каждом этапе, делают невозможным определение последовательности более чем 30−50 аминокислот с помощью этой процедуры. По этой причине белок обычно сначала гидролизуют путем воздействия фермента трипсина, который расщепляет только пептидные связи, образованные карбоксильными группами лизина и аргинина. Затем Эдмановская деградация применяется к каждому из немногих получившихся пептидов, образовавшихся под действием трипсина. Дополнительная информация может быть получена путем гидролиза другой части белка другим ферментом, например, химотрипсином, который расщепляет преимущественно пептидные связи, образованные аминокислотами тирозин, фенилаланин и триптофан. Сочетание результатов, полученных с помощью двух или более различных протеолитических (разрушающих белки) ферментов, впервые применил английский биохимик Фредерик Сэнгер, и это позволило ему выяснить аминокислотную последовательность инсулина. Впоследствии таким же образом были определены аминокислотные последовательности многих других белков.
Уровни структурной организации в белках
Первичная структура
Аналитические и синтетические процедуры выявляют только первичную структуру белков, то есть аминокислотную последовательность пептидных цепей. Они не раскрывают информацию о конформации (расположении в пространстве) пептидной цепи, то есть о том, присутствует ли пептидная цепь в виде длинной прямой нити или она неравномерно свернута и сложена в глобулу.
Конфигурация, или конформация, белка определяется взаимным притяжением или отталкиванием полярных или неполярных групп в боковых цепях (R-группах) аминокислот. Первые имеют положительный или отрицательный заряд в боковых цепях; вторые отталкивают воду, но притягивают друг друга. Некоторые участки пептидной цепи, содержащей от 100 до 200 аминокислот, могут образовывать петлю, или спираль; другие могут быть прямыми или образовывать неправильные витки.
Термины вторичная, третичная и четвертичная структура часто применяются к конфигурации пептидной цепи белка. Номенклатурный комитет Международного союза биохимии (IUB) определил эти термины следующим образом: Первичная структура белка определяется его аминокислотной последовательностью без учета расположения пептидной цепи в пространстве. Вторичная структура определяется пространственным расположением основной пептидной цепи без учета конформации боковых цепей или других сегментов основной цепи. Третичная структура определяется как боковыми цепями, так и другими смежными сегментами основной цепи, без учета соседних пептидных цепей. Наконец, термин четвертичная структура используется для обозначения расположения одинаковых или разных субъединиц большого белка, в котором каждая субъединица представляет собой отдельную пептидную цепь.
Вторичная структура
Атомы азота и углерода пептидной цепи не могут лежать на прямой линии из-за величины углов связи между соседними атомами цепи; угол связи составляет около 110°. Однако каждый из атомов азота и углерода может вращаться в определенной степени, поэтому цепь обладает ограниченной гибкостью. Поскольку все аминокислоты, кроме глицина, являются асимметричными L-аминокислотами, пептидная цепь имеет тенденцию принимать асимметричную спиралевидную форму; некоторые волокнистые белки состоят из вытянутых спиралей вокруг прямой винтовой оси. Такие структурные особенности являются результатом свойств, общих для всех пептидных цепей. Продуктом их влияния является вторичная структура белка.
Третичная структура
Третичная структура — это продукт взаимодействия между боковыми цепями ® аминокислот, входящих в состав белка. Некоторые из них содержат положительно или отрицательно заряженные группы, другие — полярные, третьи — неполярные. Количество атомов углерода в боковой цепи варьируется от нуля в глицине до девяти в триптофане. Положительно и отрицательно заряженные боковые цепи имеют тенденцию притягиваться друг к другу; боковые цепи с одинаковыми зарядами отталкиваются друг от друга.
Связи, образующиеся под действием сил между отрицательно заряженными боковыми цепями аспаргиновой или глутаминовой кислоты, с одной стороны, и положительно заряженными боковыми цепями лизина или аргинина, с другой стороны, называются солевыми мостиками. Взаимное притяжение соседних пептидных цепей также является результатом образования многочисленных водородных связей.
Водородные связи образуются в результате притяжения между связанным с азотом атомом водорода (имидный водород) и неподеленной парой электронов атома кислорода в двойной связи углерод-кислородная группа (карбонильная группа). В результате происходит небольшое смещение имидного водорода в сторону атома кислорода карбонильной группы.
Хотя водородная связь намного слабее ковалентной связи (т.е. связи между двумя атомами углерода, которые поровну делят между собой пару связывающих электронов), большое количество имидных и карбонильных групп в пептидных цепях приводит к образованию многочисленных водородных связей. Другой тип притяжения — между неполярными боковыми цепями валина, лейцина, изолейцина и фенилаланина; притяжение приводит к вытеснению молекул воды и называется гидрофобным взаимодействием.
В белках, богатых цистином, конформация пептидной цепи в значительной степени определяется дисульфидными связями (-S-S-) цистина. Половинки цистина могут быть расположены в разных частях пептидной цепи и, таким образом, могут образовывать петлю, замкнутую дисульфидной связью.
Если дисульфидная связь восстанавливается (т.е. водород добавляется) до двух сульфгидрильных (-SH) групп, третичная структура белка претерпевает резкое изменение, замкнутые петли разрываются и соседние пептидные цепи, связанные дисульфидной связью, разделяются.
Четвертичная структура
Природа четвертичной структуры демонстрируется на примере структуры гемоглобина. Каждая молекула человеческого гемоглобина состоит из четырех пептидных цепей, двух α-цепей и двух β-цепей; то есть это тетрамер. Четыре субъединицы связаны друг с другом водородными связями и гидрофобным взаимодействием. Поскольку четыре субъединицы так тесно связаны между собой, тетрамер гемоглобина называют молекулой, хотя между пептидными цепями четырех субъединиц нет ковалентных связей. В других белках субъединицы связаны друг с другом ковалентными связями (дисульфидными мостиками).
Выделение и определение белков
Животный материал обычно содержит большое количество белков и липидов и небольшое количество углеводов; в растениях основную часть сухого вещества обычно составляют углеводы. Если необходимо определить количество белка в смеси животных продуктов питания, образец переводят в аммонийные соли путем кипячения с серной кислотой и подходящим неорганическим катализатором, например, медным купоросом (метод Кьельдаля).
Метод основан на предположении, что белки содержат 16 процентов азота, а небелковый азот присутствует в очень малых количествах. Это предположение оправдано для большинства тканей высших животных, но не для насекомых и ракообразных, в которых значительная часть азота тела присутствует в форме хитина, углевода. Большое количество небелкового азота также содержится в соке многих растений. В таких случаях точный количественный анализ проводится после отделения белков от других биологических соединений.
Белки чувствительны к нагреванию, кислотам, основаниям, органическим растворителям и радиационному облучению; по этой причине химические методы, используемые для очистки органических соединений, не могут быть применены к белкам. Соли и молекулы небольшого размера удаляются из растворов белков путем диализа,
Группы белков отделяются друг от друга путем высаливания —
Большинство белков нерастворимы в кипящей воде и денатурируются под ее воздействием —
Фракционирование (разделение на компоненты) смеси белков разного молекулярного веса может быть осуществлено путем гель-фильтрации. Размер белков, удерживаемых гелем, зависит от свойств геля. Белки, удерживаемые в геле, удаляются из колонки растворами солей и ионов водорода соответствующей концентрации.
Многие белки первоначально были получены в кристаллической форме, но кристалличность не является доказательством чистоты; многие препараты кристаллических белков содержат другие вещества. Для определения того, содержит ли белковый препарат только один белок, используются различные тесты. Чистота раствора белка может быть определена с помощью таких методов, как хроматография и гель-фильтрация.
Кроме того, раствор чистого белка дает один пик при вращении в центрифуге на очень высоких скоростях (ультрацентрифугирование) и мигрирует в виде одной полосы при электрофорезе (миграция белка в электрическом поле). После того как эти и другие методы (например, аминокислотный анализ) покажут, что раствор белка чист, его можно считать таковым. Поскольку хроматография, ультрацентрифугирование и электрофорез не могут быть применены к нерастворимым белкам, о них мало что известно; они могут быть смесями многих похожих белков.
Известны очень маленькие (микрогетерогенные) различия в некоторых, казалось бы, чистых белках. Они представляют собой различия в аминокислотном составе идентичных в остальном белков и передаются из поколения в поколение,
Количество чистого белка можно определить путем взвешивания или измерения поглощения ультрафиолета при 280 нанометрах. Поглощение при 280 нанометрах зависит от содержания тирозина и триптофана в белке. Иногда используется чуть менее чувствительная биуретовая реакция — пурпурная окраска щелочных растворов белков при добавлении медного купороса; ее интенсивность зависит только от количества пептидных связей на грамм, которое одинаково у всех белков.
