Роль и функции белков

 

1.2 Белки - это главная составная  часть живых организмов и материальная  основа процессов жизнедеятельности. Они являются высокомолекулярными  природными полимерными соединениями, построенными из аминокислотных  остатков, соединенных посредством  пептидной связи. В создании белков участвует 20 аминокислот. Они связываются между собой в длинные цепи, которые образуют основу белковой молекулы большой молекулярной массы. Комбинируя разную последовательность этих аминокислот, можно создавать бесчисленное множество белковых молекул. Белки выполняют важные функции в организме. Можно выделить следующие функции:

1. Каталитическая функция. Свыше 2000 ферментов - биологических катализаторов выделено к настоящему времени. Практически все они являются белками. Все химические реакции, лежащие в основе процессов жизнедеятельности, катализируются ферментами.
2. Сократительная функция. Важным признаком живого является подвижность. В основе ее лежит сократительная функция белков. Это относится не только к мышечным сокращениям, но и изменениям формы клеток, субклеточных частиц.
3. Структурная функция. Существуют специальные белки, выполняющие структурную функцию, например, главный белок соединительной ткани - коллаген. Структурная функция присуща и белкам, выпоняющим другие функции.
4. Транспортная функция. Белки обладают исключительными возможностями по специфическому связыванию различных соединений, что позволяет им выполнять транспорт веществ по крови и в пределах клетки.
5. Защитная функция. Как уже указывалось выше, каждый организм биохимически индивидуален, поэтому в процессе эволюции выработаны механизмы узнавания и связывания "чужих" молекул. Это успешно умеют делать белки (антитела).
6. Регуляторная функция. Среди молекул-регуляторов важное место занимают и регуляторы белковой природы, например, гормоны гипофиза. Белки участвуют также в регуляции важных констант крови: осмотическое давление, рН и т.д.
7. Энергетическая функция. Эндогенные (непищевые) белки, точнее, продукты их ферментативного внутриклеточного гидролиза, служат источником энергии только в особых условиях (длительное голодание, интенсивная длительная мышечная работа).

       Аминокислоты - главные составные части белков

Физико-химические и биологические свойства белков определяются их аминокислотным составом. Аминокислоты - это аминопроизводные класса карбоновых кислот. Аминокислоты входят не только в состав белков. Многие из них выполняют специальные функции. Поэтому в живых организмах различают аминокислоты протеиногенные (кодируются генетически) и непротеиногенные (не кодируются генетически). Протеиногенных аминокислот 20. 19 из них являются a-аминокислотами. Это означает, что аминогруппа у них присоединена к a-углеродному атому той карбоновой кислоты, производным которой они являются. Общая формула этих аминокислот выглядит следующим образом:

 

                

                                                           

 

 

Только одна аминокислота - пролин не соответствует этой общей формуле. Ее относят к иминокислотам.

a-углеродный атом аминокислот является ассимметричным (исключение составляет аминопроизводное уксусной кислоты - глицин). Это означает, что у каждой аминокислоты имеются, как минимум, 2 оптически активных антипода, природные белки построены из L-a- аминокислот.

Классификация аминокислот проводится по строению их радикала. Существуют разные подходы к классификации. Большая часть аминокислот - это алифатические соединения. 2 аминокислоты являются представителями ароматического ряда и 2 - гетероциклического.

Аминокислоты можно разделить, по их свойствам, на основные, нейтральные и кислые. Они отличаются числом амино- и карбоксильных групп в молекуле. Нейтральные - содержат по одной амино- и одной карбоксильной группе (моноаминомонокарбоновые). Кислые имеют 2 карбоксильные и одну аминогруппу (моноаминодикарбоновые), основные -2 аминогруппы и одну карбоксильную (диаминомонокарбоновые).

1. Собственно алифатическими можно  назвать 5 аминокислот. Глицин или гликокол (Гли),

Является единственной оптически неактивной аминокислотой. Глицин используется не только для синтеза белков. Его атомы входят в состав нуклеотидов, гема, он входит в состав важного трипептида - глутатиона.

Аланин (Ала), нередко используется в организме для синтеза глюкозы.

Валин (Вал),. Лейцин (Лей, L) Изолейцин (Иле, I). Эти три аминокислоты, обладая выраженными гидрофобными свойствами, играют важную роль в формировании пространственной структуры белковой молекулы.

2. Гидроксиаминокислоты. Серин (Сер, S) и треонин (Тре, T) играют важную роль в процессах ковалентной модификации структуры белков. Их гидроксильная группа легко взаимодействует с фосфорной кислотой, что бывает необходимым для изменения функциональной активности белков.

 

3. Серусодержащие аминокислоты. Цистеин (Цис, C) Специальным свойством цистеина является способность к окислению (в присутствии кислорода) и взаимодействию с другой молекулой цистеина с образованием дисульфидной связи и нового соединения - цистина. Эта аминокислота благодаря активной -SH группе легко вступает в окислительно-восстановительные реакции, защищая клетку от действия окислителей, участвует в образовании дисульфидных мостиков, стабилизирующих структуру белков, входит в состав активного центра ферментов.

Метионин (Мет, M). Выполняет функцию донора подвижной метильной группы, необходимой для синтеза биологически активных соединений: холина, нуклеотидов и т.д. Это гидрофобная аминокислота.

 

4. Дикарбоновые аминокислоты. Глутаминовая (Глу, E) и аспарагиновая кислота (Асп, D). Это наиболее распространенные аминокислоты белков животных организмов. Эти аминокислоты способствуют ионному взаимодействию, придают заряд белковой молекуле. Эти аминокислоты могут образовывать амиды.

 

5. Амиды дикарбоновых аминокислот. Глутамин (Глн, Q) и аспарагин (Асн, N). Эти аминокислоты выполняют важную функцию в обезвреживании и транспорте аммиака в организме. Амидная связь в их составе частично имеет характер двойной. За счет этого амидная группа обладает частичным положительным зарядом и не будет диссоциировать.

 

6. Циклические аминокислоты Фенилаланин (Фен, F) Тирозин (Тир, Y). Эти 2 аминокислоты образуют взаимосвязанную пару, выполняющую важные функции в организме, среди которых следует отметить использование их клетками для синтеза ряда биологически активных веществ (адреналина, тироксина).

Триптофан (Три, W). Используется для синтеза витамина PP, серотонина, гормонов эпифиза.

 

Гистидин (Гис, H). Может использоваться при образовании гистамина, регулирующего проницаемость тканей и проявляющего свое действие при аллергии.

7. Диаминомонокарбоновые аминокислоты. Лизин (Лиз, K) Аргинин (Арг, R). Эти аминокислоты имеют дополнительную аминогруппу, которая придает основные свойства белкам, содержащим много таких аминокислот. Образование аргинина является частью метаболического пути обезвреживания аммиака (синтез мочевины).

 

                          Свойства аминокислот - основа свойств белков

                          Свойства аминокислот - основа свойств белков

Химические и физико-химические свойства аминокислот обусловлены тем, что они имеют радикал и 2 функциональные группы с противоположными свойствами: кислую карбоксильную и основную аминогруппу. Поэтому в водном растворе аминокислоты существуют в виде равновесной смеси биполярного иона, катионной и анионной форм молекулы.  Равновесие зависит от pH среды.

Нейтральные аминокислоты в воде не имеют заряда. Иначе ведут себя дикарбоновые аминокислоты. Обе их карбоксильные группы диссоциируют, отдавая 2 протона, но поскольку у них только одна аминогруппа, принимающая один протон, то такие аминокислоты ведут себя как кислоты, и раствор их имеет кислую реакцию. Возникающий при этой диссоциации ион имеет избыток отрицательного заряда.

Основные аминокислоты реагируют в водном растворе как слабые основания. Это связано с тем, что один протон, который освобождается при диссоциации карбоксильной группы таких аминокислот, связывается с одной из аминогрупп, а вторая аминогруппа связывает протон из водного окружения, увеличивая тем самым количество OH групп и повышая pH. Заряд иона таких аминокислот будет положительным.

При добавлении в раствор аминокислот дополнительного количества протонов (кислоты) подавляется диссоциация карбоксильных групп и увеличивается количество NH3+ групп. Аминокислоты при этом переходят в катионную форму  (приобретают положительный заряд). При добавлении щелочи, наоборот, улучшаются условия для диссоциации карбоксильных групп. Аминокислоты переходят в анионную форму (приобретают отрицательный заряд). Изменяя, таким образом, pH раствора, можно изменять заряд молекул аминокислот (рис.1.1).

Рис.1.1. Кривые, полученные в результате титрования раствора глицина

 

В зависимости от свойств аминокислот количество добавляемой кислоты или щелочи для изменения величины заряда будет разным. При определенном для каждой аминокислоты значении pH наступает такое состояние, при котором заряд аминокислоты становится нейтральным. Такое значение pH получило название изоэлектрической точки (ИЭТ). При значении pH, равном изоэлектрической точке, аминокислоты не перемещаются в электрическом поле.

Спектроскопические свойства аминокислот

1) все  аминокислоты поглощают свет  в инфракрасной области спектра; 2) три циклических аминокислоты - фенилаланин, тирозин и триптофан поглощают свет в ультрафиолетовой области (рис.1.2). Это свойство широко используется для аналитического определения белков;

Рис.1.2. Спектры поглощения ароматических аминокислот в ультрафиолетовой области.

 

3) ядерный  магнитный резонанс (ЯМР). Каждая  аминокислотный остаток в составе  белка имеет характерный спектр  ЯМР. Высокая разрешающая способность  этого метода используется для  выяснения пространственной структурной  организации белков (рис.1.3).

Рис. 1.3.  ЯМР спектры аминокислот

1.3 В пространственой структуре белков выделяют четыре уровня организации

Белки - высокомолекулярные полимерные соединения с довольно сложной пространственной структурой. Попытки разобраться в их структурной организации заставили исследователей выделить в структуре белков несколько уровней.

Первичной структурой белка является конфигурация полипептидной цепи (последовательность аминокислот и локализация дисульфидных мостиков).

                               Рис. 1.11.  Первичная структура  белковой молекулы

Основной тип связи этого уровня - ковалентная пептидная связь. Основу цепи составляет повторяющаяся последовательность -CO-CH-NH-. Характерные для каждой аминокислоты радикалы расположены вне цепи. Именно эти радикалы и несут главную нагрузку при выполнении функций белками.

1.3.1Исследование первичной структуры белков и пептидов

Можно выделить следующие этапы выяснения первичной структуры белков и пептидов:

1. Выделение белка в чистом виде  и определение его молекулярной массы
2. Определение аминокислотного состава
3. Определение N-концевой аминокислоты
4. Определение С-концевой аминокислоты
5. Определение аминокислотной последовательности

Определение аминокислотного состава белка. До определения аминокислотной последовательности выделенного белка желательно иметь представление о его аминокислотном составе, то есть знать, какие аминокислоты и в каком количестве входят в состав его молекулы. Для этого проводят полный гидролиз белка с последующим количественным анализом высвободившихся аминокислот. Чаще используют кислотный гидролиз. Полипептид растворяют в 6N НCl в отсутствие кислорода, чтобы предотвратить окисление серусодержащих аминокислот. Смесь нагревают до 100-1200С и выдерживают при этой температуре в течение 10-100ч. К сожалению при этом способе гидролиза некоторые аминокислоты (Сер, Три, Тир, Глн, Асн) разрушаются.

Аминокислотный состав полипептидного гидролизата определяют с помощью автоматического аминокислотного анализатора. Прибор разделяет аминокислоты посредством ионообменной хроматографии. Их идентифицируют по элюционному объему и количественно учитывают по интенсивности флюоресценции после проведения реакции с дансилхлоридом.

1.3.1 Определение N-концевой аминокислоты.

Популярным методом идентификации N-концевой аминокислоты является разрушение по Эдману (Pehr Edman - автор метода). Фенилизотиоцианат (ФИТЦ, реактив Эдмана) взаимодействует с N-концевой аминогруппой белков в слабо щелочной среде (рис.1.18). В результате образуется фенилтиокарбамильный продукт. Его обрабатывают безводной сильной кислотой, такой как трифторуксусная кислота. При этом тиазолиновое производное N-концевой аминокислоты отщепляется, в то время как остальные пептидные связи не подвергаются гидролизу. Тем самым разрушение по Эдману заключается в отщеплении остатка только N-концевой аминокислоты и сохранении оставшейся части полипептидной цепи.