Білки фізичні та хімічні. Фізичні властивості білків. Найважливіші хімічні властивості білків. Білки як джерела живлення

Білки- природні поліпептиди із величезною молекулярною масою. Вони входять до складу всіх живих організмів та виконують різні біологічні функції.

Будова білка.

У білків існує 4 рівні будови:

• первинна структура білка- лінійна послідовність амінокислот у поліпептидному ланцюгу, згорнутих у просторі:

• вторинна структура білка- Конформація поліпептидного ланцюга, т.к. скручування в просторі за рахунок водневих зв'язків між NHі СОгрупами. Є 2 способи укладання: α -спіраль та β - Структура.

• третинна структура білка- це тривимірне уявлення закрученої α -спіраль або β -структури у просторі:

Ця структура утворюється за рахунок дисульфідних містків -S-S-між цистеїновими залишками. У освіті такої структури беруть участь протилежно заряджені іони.

• четвертинна структура білкаутворюється за рахунок взаємодії між різними поліпептидними ланцюгами:

Синтез білка.

В основі синтезу лежить твердофазний метод, у якому перша амінокислота закріплюється на полімерному носії, а до неї послідовно підшиваються нові амінокислоти. Після цього полімер відокремлюють від поліпептидного ланцюга.

Фізичні властивості білка.

Фізичні властивості білка визначаються будовою, тому білки ділять на глобулярні(розчинні у воді) та фібрилярні(Нерозчинні у воді).

Хімічні властивості білків.

1. Денатурація білка(руйнування вторинної та третинної структури із збереженням первинної). Приклад денатурації – згортання яєчних білків при варінні яєць.

2. Гідроліз білків- незворотне руйнування первинної структури в кислому або лужному розчині з утворенням амінокислот. Так можна встановити кількісний склад білків.

3. Якісні реакції:

Біуретова реакція- взаємодія пептидного зв'язку та солей міді (II) у лужному розчині. По закінченні реакції розчин забарвлюється у фіолетовий колір.

Ксантопротеїнова реакція- при реакції з азотною кислотою спостерігається жовте забарвлення.

Біологічне значення білка.

1. Білки – будівельний матеріал, з нього побудовані м'язи, кістки, тканини.

2. Білки – рецептори. Передають та сприймають сигнал, що надходять від сусідніх клітин із навколишнього середовища.

3. Білки відіграють важливу роль у імунній системі організму.

4. Білки виконують транспортні функції та переносять молекули чи іони у місце синтезу чи накопичення. (Гемоглобін переносить кисень до тканин.)

5. Білки – каталізатори – ферменти. Це дуже потужні селективні каталізатори, які прискорюють реакцію в мільйони разів.

Є ряд амінокислот, які не можуть синтезуватися в організмі. незамінні, їх отримують лише з їжею: тизин, фенілаланін, метинін, валін, лейцин, триптофан, ізолейцин, треонін

Білки— високомолекулярні органічні сполуки, що складаються із залишків амінокислот, з'єднаних у довгий ланцюжок пептидним зв'язком.

До складу білків живих організмів входить всього 20 типів амінокислот, всі з яких відносяться до альфа-амінокислот, а амінокислотний склад білків та їх порядок з'єднання один з одним визначаються індивідуальним генетичним кодом живого організму.

Однією з особливостей білків є здатність мимовільно формувати просторові структури характерні лише даного конкретного білка.

Через специфіку своєї будови білки можуть мати різноманітні властивості. Наприклад, білки, що мають глобулярну четвертинну структуру, зокрема, білок курячого яйця, розчиняються у воді з утворенням колоїдних розчинів. Білки, що мають фібрилярну четвертинну структуру у воді не розчиняються. Фібрилярними білками, зокрема, утворені нігті, волосся, хрящі.

Хімічні властивості білків

Гідроліз

Усі білки здатні вступати у реакцію гідролізу. У разі повного гідролізу білків утворюється суміш з -амінокислот:

Білок + nH 2 O => суміш α-амінокислот

Денатурація

Руйнування вторинної, третинної та четвертинної структур білка без руйнування його первинної структури називають денатурацією. Денатурація білка може протікати під дією розчинів солей натрію, калію або амонію – така денатурація є оборотною:

Денатурація ж, що протікає під дією випромінювання (наприклад, нагрівання) або обробці білка солями важких металів є незворотною:

Так, наприклад, необоротна денатурація білка спостерігається при термічній обробці яєць у процесі їх приготування. Внаслідок денатурації яєчного білка його здатність розчинятися у воді з утворенням колоїдного розчину зникає.

Якісні реакції на білки

Біуретова реакція

Якщо до розчину, що містить білок додати 10% розчин гідроксиду натрію, а потім невелику кількість 1%-го розчину сульфату міді, то з'явиться фіолетове фарбування.

розчин білка + NаОН (10%-ний розчин) + СuSO 4 = фіолетове фарбування

Ксантопротеїнова реакція

розчини білка при кип'ятінні з концентрованою азотною кислотою забарвлюються в жовтий колір:

розчин білка + HNO 3(конц.) => жовте фарбування

Біологічні функції білків

каталітична	прискорюють різні хімічні реакції у живих організмах	ферменти
структурна	будівельний матеріал клітин	колаген, білки клітинних мембран
захисна	захищають організм від інфекцій	імуноглобуліни, інтерферон
регуляторна	регулюють обмінні процеси	гормони
транспортна	перенесення життєво-необхідних речовин від одних частин організму до інших	гемоглобін переносить кисень
енергетична	забезпечують організм енергією	1 грам білка може забезпечити організм енергією у кількості 17,6 Дж
моторна (рухова)	будь-які рухові функції організму	міозин (м'язовий білок)

Зміст статті

БІЛКИ (стаття 1)- Клас біологічних полімерів, присутніх у кожному живому організмі. За участю білків відбуваються основні процеси, що забезпечують життєдіяльність організму: дихання, травлення, м'язове скорочення, передача нервових імпульсів. Кісткова тканина, шкірний, волосяний покрив, рогові утворення живих істот складаються з білків. Для більшості ссавців зростання та розвиток організму відбувається за рахунок продуктів, що містять білки як харчовий компонент. Роль білків в організмі і, відповідно, їхня будова дуже різноманітна.

Склад білків.

Всі білки є полімерами, ланцюги яких зібрані з фрагментів амінокислот. Амінокислоти – це органічні сполуки, що містять у своєму складі (відповідно до назви) аміногрупу NH 2 та органічну кислотну, тобто. карбоксильну, групу СООН. З усього різноманіття існуючих амінокислот (теоретично кількість можливих амінокислот необмежено) в освіті білків беруть участь лише такі, у яких між аміногрупою та карбоксильною групою – лише один вуглецевий атом. У загальному вигляді амінокислоти, що беруть участь у освіті білків, можуть бути представлені формулою: H 2 N-CH(R)-COOH. Група R, приєднана до атома вуглецю (тому, що знаходиться між аміно-і карбоксильною групою), визначає різницю між амінокислотами, що утворюють білки. Ця група може складатися тільки з атомів вуглецю і водню, але частіше містить, крім С і Н, різні функціональні (здатні до подальших перетворень) групи, наприклад, HO-, H 2 N- та ін. Існує також варіант, коли R = Н.

В організмах живих істот міститься понад 100 різних амінокислот, проте, у будівництві білків використовуються не всі, а лише 20, так званих «фундаментальних». У табл. 1 наведено їх назви (більшість назв склалося історично), структурна формула, а також скорочене позначення, що широко застосовується. Усі структурні формули перебувають у таблиці в такий спосіб, щоб основний фрагмент амінокислоти перебував праворуч.

Таблиця 1. амінокислоти, що беруть участь у творенні білок

Назва	Структура	Позначення
ГЛІЦІН		ГЛІ
АЛАНІН		АЛА
ВАЛІН		ВАЛ
Лейцин		ЛЕЙ
ІЗОЛЕЙЦИН		АЛЕ
СЕРІН		СЕР
ТРЕОНІН		ТРЕ
ЦИСТЕЇН		ЦІС
МЕТІОНІН		МЕТ
ЛІЗИН		ЛІЗ
Аргінін		АРГ
АСПАРАГІНОВА КИСЛОТА		АСН
АСПАРАГІН		АСН
ГЛУТАМІНОВА КИСЛОТА		ГЛУ
ГЛУТАМІН		ГЛН
Фенілалінін		ФЕН
ТИРОЗИН		Тір
ТРИПТОФАН		ТРИ
ГІСТИДИН		ГІС
ПРОЛІН		ПРО
У міжнародній практиці прийнято скорочене позначення перерахованих амінокислот за допомогою латинських трилітерних або однолітерних скорочень, наприклад, гліцин – Gly або G, аланін – Ala або A.

Серед цих двадцяти амінокислот (табл. 1) тільки пролін містить поряд з карбоксильною групою СООН групу NH (замість NH 2), оскільки вона входить до складу циклічного фрагмента.

Вісім амінокислот (валін, лейцин, ізолейцин, треонін, метіонін, лізин, фенілаланін та триптофан), поміщені в таблиці на сірому фоні, називають незамінними, оскільки організм для нормального зростання та розвитку повинен постійно отримувати їх з білковою їжею.

Білкова молекула утворюється в результаті послідовної сполуки амінокислот, при цьому карбоксильна група однієї кислоти взаємодіє з аміногрупою сусідньої молекули, у результаті утворюється пептидний зв'язок –CO–NH– та виділяється молекула води. На рис. 1 показано послідовне з'єднання аланіну, валіну та гліцину.

Рис. 1 НАСЛІДНЕ З'ЄДНАННЯ АМІНОКИСЛОТпри утворенні білкової молекули. Як основний напрямок полімерного ланцюга обраний шлях від кінцевої аміногрупи H 2 N до кінцевої карбоксильної групи COOH.

Щоб компактно описати будову білкової молекули, використовують скорочені позначення амінокислот (табл. 1, третій стовпець), що у освіті полімерної ланцюга. Фрагмент молекули показаний на рис. 1 записують наступним чином: H 2 N-АЛА-ВАЛ-ГЛІ-COOH.

Білкові молекули містять від 50 до 1500 амінокислотних залишків (короткі ланцюги називають поліпептидами). Індивідуальність білка визначається набором амінокислот, з яких складено полімерний ланцюг і, що не менш важливо, порядком чергування їх уздовж ланцюга. Наприклад, молекула інсуліну складається з 51 амінокислотного залишку (це один з найбільш коротколанцюгових білків) і являє собою дві з'єднані між собою паралельні ланцюги неоднакової довжини. Порядок чергування амінокислотних фрагментів показано на рис. 2.

Рис. 2 МОЛЕКУЛА ІНСУЛІНА, побудована з 51 амінокислотного залишку, фрагменти однакових амінокислот відзначені відповідним забарвленням фону Залишки амінокислоти цистеїну (скорочене позначення ЦІС), що містяться в ланцюзі, утворюють дисульфідні містки –S-S-, які пов'язують дві полімерні молекули, або утворюють перемички всередині одного ланцюга.

Молекули амінокислоти цистеїну (табл. 1) містять реакційно-здатні сульфгідридні групи -SH, які взаємодіють між собою, утворюючи дисульфідні містки -S-S-. Роль цистеїну у світі білків особлива, з його участю утворюються поперечні зшивки між полімерними білковими молекулами.

Об'єднання амінокислот у полімерний ланцюг відбувається в живому організмі під управлінням нуклеїнових кислот, саме вони забезпечують строгий порядок збирання та регулюють фіксовану довжину полімерної молекули ( см. НУКЛЕЇНОВІ КИСЛОТИ).

Структура білків.

Склад білкової молекули, представлений у вигляді залишків амінокислот, що чергуються (рис. 2), називають первинною структурою білка. Між присутніми в полімерному ланцюгу іміно-групами HN і карбонільними групами CO виникають водневі зв'язки ( см. Водородний зв'язок), в результаті молекула білка набуває певної просторової форми, званої вторинної структурою. Найбільш поширені два типи вторинної структури білків.

Перший варіант, званий α-спіраллю, реалізується за допомогою водневих зв'язків усередині однієї полімерної молекули. Геометричні параметри молекули, що визначаються довжинами зв'язків та валентними кутами, такі, що утворення водневих зв'язків виявляється можливим для груп H-N і C=O, між якими знаходяться два пептидні фрагменти H-N-C=O (рис. 3).

Склад поліпептидного ланцюга, показаного на рис. 3, записують у скороченому вигляді наступним чином:

H 2 N-АЛА ВАЛ-АЛА-ЛЕЙ-АЛА-АЛА-АЛА-АЛА-ВАЛ-АЛА-АЛА-АЛА-COOH.

В результаті стягуючої дії водневих зв'язків молекула набуває форми спіралі - так звана α-спіраль, її зображують у вигляді вигнутої спіралеподібної стрічки, що проходить через атоми, що утворюють полімерний ланцюг (мал. 4)

Рис. 4 ОБ'ЄМНА МОДЕЛЬ МОЛЕКУЛИ БІЛКУу формі α-спіралі. Водневі зв'язки є зеленими пунктирними лініями. Циліндрична форма спіралі помітна при певному куті повороту (атоми водню на малюнку не показані). Забарвлення окремих атомів дане відповідно до міжнародних правил, які рекомендують для атомів вуглецю чорний колір, для азоту – синій, для кисню – червоний, для сірки – жовтий колір (для не показаних на малюнку атомів водню рекомендований білий колір, у цьому випадку всю структуру зображують на темному тлі.

Інший варіант вторинної структури, званий β-структурою, утворюється також за участю водневих зв'язків, відмінність полягає в тому, що взаємодіють групи H-N та C=O двох або більше полімерних ланцюгів, розташованих паралельно. Оскільки поліпептидний ланцюг має напрямок (рис. 1), можливі варіанти, коли напрямок ланцюгів збігається (паралельна β-структура, рис. 5), або вони протилежні (антипаралельна β-структура, рис. 6).

В утворенні β-структури можуть брати участь полімерні ланцюги різного складу, при цьому органічні групи, що обрамляють полімерний ланцюг (Ph, CH 2 ВІН та ін), у більшості випадків відіграють другорядну роль, вирішальне значення має взаєморозташування груп H-N і C=O. Оскільки щодо полімерного ланцюга H-N і C=O групи спрямовані в різні сторони (на малюнку – вгору та вниз), стає можливою одночасна взаємодія трьох і більше ланцюгів.

Склад першого поліпептидного ланцюга на рис. 5:

H 2 N-ЛЕЙ-АЛА-ФЕН-ГЛІ-АЛА-АЛА-COOH

Склад другого та третього ланцюга:

H 2 N-ГЛІ-АЛА-СЕР-ГЛІ-ТРЕ-АЛА-COOH

Склад поліпептидних ланцюгів, показаних на рис. 6, той самий, що і на рис. 5, відмінність у тому, що другий ланцюг має протилежний (порівняно з рис. 5) напрямок.

Можливе утворення β-структури всередині однієї молекули, коли фрагмент ланцюга на певній ділянці виявляється повернутим на 180°, у цьому випадку дві гілки однієї молекули мають протилежний напрямок, у результаті утворюється антипаралельна β-структура (рис. 7).

Структура показана на рис. 7 у плоскому зображенні, представлена ​​на рис. 8 у вигляді об'ємної моделі. Ділянки β-структури прийнято спрощено позначати плоскою хвилястою стрічкою, яка проходить через атоми, що утворюють полімерний ланцюг.

У структурі багатьох білків чергуються ділянки α-спіралі та стрічкоподібні β-структури, а також поодинокі поліпептидні ланцюги. Їхнє взаєморозташування та чергування в полімерному ланцюгу називають третинною структурою білка.

Способи зображення структури білків показані на прикладі рослинного білка крамбіна. Структурні формули білків, що містять часто до сотні амінокислотних фрагментів, складні, громіздкі та важкі для сприйняття, тому іноді використовують спрощені структурні формули – без символів хімічних елементів (рис. 9, варіант А), але при цьому зберігають фарбування валентних штрихів відповідно до міжнародних правилами (рис. 4). Формулу у своїй представляють над плоскому, а просторовому зображенні, що відповідає реальної структурі молекули. Такий спосіб дозволяє, наприклад, розрізнити дисульфідні містки (подібні до тих, які є в інсуліні, рис. 2), фенільні групи в бічному обрамленні ланцюга та ін. 9, варіант Б). Проте обидва способи не дозволяють показати третинну структуру, тому американський біофізик Джейн Річардсон запропонував зображати α-структури у вигляді спірально закручених стрічок (див. рис. 4), β-структури – у вигляді плоских хвилястих стрічок (рис. 8), а ті, що їх сполучають. одиночні ланцюги - у формі тонких джгутів, кожен тип структури має своє забарвлення. Зараз широко застосовують такий спосіб зображення третинної структури білка (рис. 9, варіант). Іноді більшої інформативності показують спільно третинну структуру і спрощену структурну формулу (рис. 9, варіант Р). Є й модифікації способу, запропонованого Річардсоном: α-спіралі зображують у вигляді циліндрів, а β-структури – у формі плоских стрілок, що вказують напрямок ланцюга (рис. 9, варіант Д). Менш поширений спосіб, при якому всю молекулу зображують у вигляді джгута, де неоднакові структури виділяють забарвленням, а дисульфідні містки показують у вигляді жовтих перемичок (рис. 9, варіант Д).

Найбільш зручний для сприйняття варіант, коли при зображенні третинної структури особливості будови білка (амінокислотні фрагменти, порядок їх чергування, водневі зв'язки) не вказують, при цьому виходять з того, що всі білки містять «деталі», взяті зі стандартного набору двадцяти амінокислот ( Таблиця 1). Основне завдання при зображенні третинної структури – показати просторове розташування та чергування вторинних структур.

Рис. 9 РІЗНІ ВАРІАНТИ ЗОБРАЖЕННЯ СТРУКТУРИ БІЛКУ КРАМБІНУ.
А - структурна формула в просторовому зображенні.
Б – структура як об'ємної моделі.
В – третинна структура молекули.
Г - поєднання варіантів А та В.
Д – спрощене зображення третинної структури.
Е – третинна структура з дисульфідними містками.

Найбільш зручна для сприйняття об'ємна третинна структура (варіант), звільнена від деталей структурної формули.

Білкова молекула, що має третинну структуру, як правило, приймає певну конфігурацію, яку формують полярні (електростатичні) взаємодії та водневі зв'язки. В результаті молекула набуває форми компактного клубка - глобулярні білки (globules, лат. кульку), або ниткоподібну – фібрилярні білки (fibra, лат. волокно).

Приклад глобулярної структури – білок альбумін, класу альбумінів відносять білок курячого яйця. Полімерний ланцюг альбуміну зібраний, в основному, з аланіну, аспаргінової кислоти, гліцину і цистеїну, що чергуються в певному порядку. Третинна структура містить α-спіралі, поєднані одиночними ланцюгами (рис. 10).

Рис. 10 ГЛОБУЛЯРНА СТРУКТУРА АЛЬБУМІНА

Приклад фібрилярної структури – білок фіброїну. Він містить велику кількість залишків гліцину, аланіну та серину (кожен другий амінокислотний залишок – гліцин); залишки цистеїну, що містить сульфгідридні групи, відсутні. Фіброїн – основний компонент натурального шовку та павутини, що містить β-структури, з'єднані одиночними ланцюгами (рис. 11).

Рис. 11 ФІБРИЛЯРНИЙ БІЛОК ФІБРОЇН

Можливість утворення третинної структури певного типу закладена первинної структурі білка, тобто. визначена заздалегідь порядком чергування амінокислотних залишків. З певних наборів таких залишків переважно виникають α-спіралі (подібних наборів існує досить багато), інший набір призводить до появи β-структур, одиночні ланцюги характеризуються своїм складом.

Деякі білкові молекули, зберігаючи третинну структуру, здатні об'єднуватися у великі надмолекулярні агрегати, у своїй їх утримують разом полярні взаємодії, і навіть водневі зв'язку. Такі утвори називають четвертинною структурою білка. Наприклад, білок феритин, що складається в основному з лейцину, глутамінової кислоти, аспарагінової кислоти та гістидину (у ферицині є в різній кількості всі 20 амінокислотних залишків) утворює третинну структуру з чотирьох паралельно укладених α-спіралей. При об'єднанні молекул у єдиний ансамбль (рис. 12) утворюється четвертинна структура, до якої може входити до 24 молекул феритину.

Рис.12 ОСВІТА ЧЕТВЕРТИЧНОЇ СТРУКТУРИ ГЛОБУЛЯРНОГО БІЛКУ ФЕРРИТИНУ

Інший приклад надмолекулярних утворень – структура колагену. Це фібрилярний білок, ланцюги якого побудовані в основному з гліцину, що чергується з проліном та лізином. Структура містить одиночні ланцюги, потрійні α-спіралі, що чергуються зі стрічкоподібними β-структурами, покладеними у вигляді паралельних пучків (рис. 13).

Рис.13 НАДМОЛЕКУЛЯРНА СТРУКТУРА ФІБРИЛЯРНОГО БІЛКУ КОЛАГЕНУ

Хімічні властивості білків.

При дії органічних розчинників, продуктів життєдіяльності деяких бактерій (молочнокисле бродіння) або при підвищенні температури відбувається руйнування вторинних та третинних структур без ушкодження його первинної структури, внаслідок чого білок втрачає розчинність та втрачає біологічну активність, цей процес називають денатурацією, тобто втратою натуральних властивостей, наприклад, створаживание кислого молока, білок, що згорнувся, вареного курячого яйця. За підвищеної температури білки живих організмів (зокрема, мікроорганізмів) швидко денатурують. Такі білки не здатні брати участь у біологічних процесах, в результаті мікроорганізми гинуть, тому кип'ячене (або пастеризоване) молоко може зберігатися довше.

Пептидні зв'язки H-N-C=O, що утворюють полімерний ланцюг білкової молекули, у присутності кислот або лугів гідролізуються, при цьому відбувається розрив полімерного ланцюга, що, зрештою, може призвести до вихідних амінокислот. Пептидні зв'язки, що входять до складу α-спіралей або β-структур, більш стійкі до гідролізу та різних хімічних впливів (порівняно з тими самими зв'язками в одиночних ланцюгах). Більш делікатне розбирання білкової молекули на складові амінокислоти проводять у безводному середовищі за допомогою гідразину H 2 N-NH 2 при цьому всі амінокислотні фрагменти, крім останнього, утворюють так звані гідразиди карбонових кислот, що містять фрагмент C(O)-HN-NH 2 14).

Рис. 14. Розщеплення поліпептид

Подібний аналіз може дати інформацію про амінокислотний склад того чи іншого білка, проте важливіше знати їхню послідовність у білковій молекулі. Одна з широко застосовуваних для цієї мети методик – дія на поліпептидний ланцюг фенілізотіоціанату (ФІТЦ), який у лужному середовищі приєднується до поліпептиду (з того кінця, що містить аміногрупу), а при зміні реакції середовища на кислу, від'єднується від ланцюга, забираючи з собою фрагмент однієї амінокислоти (рис. 15).

Рис. 15 НАСЛІДНЕ РОЗЩЕПЛЕННЯ ПОЛІПЕПТИДУ

Розроблено багато спеціальних методик для такого аналізу, у тому числі й такі, що починають «розбирати» білкову молекулу на складові компоненти, починаючи з карбоксильного кінця.

Поперечні дисульфідні містки S-S (що утворилися при взаємодії залишків цистеїну, рис. 2 і 9) розщеплюють, перетворюючи їх на HS-групи дією різних відновників. Дія окислювачів (кисню або перекису водню) призводить знову до утворення дисульфідних містків (рис. 16).

Рис. 16. Розщеплення дисульфідних містків

Для створення додаткових поперечних зшивок у білках використовують реакційну здатність аміно- та карбоксильних груп. Більш доступні для різних взаємодій аміногрупи, що знаходяться в бічному обрамленні ланцюга – фрагменти лізину, аспарагіну, лізину, проліну (табл. 1). При взаємодії таких аміногруп з формальдегідом йде процес конденсації та виникають поперечні містки – NH–CH2–NH– (рис. 17).

Рис. 17 СТВОРЕННЯ ДОДАТКОВИХ ПОПЕРЕЧНИХ МОСТИКІВ МІЖ МОЛЕКУЛАМИ БІЛКА.

Кінцеві карбоксильні групи білка здатні реагувати з комплексними сполуками деяких полівалентних металів (частіше застосовують сполуки хрому), при цьому виникають також поперечні зшивки. Обидва процеси використовуються при дубленні шкіри.

Роль білків у організмі.

Роль білків у організмі різноманітна.

Ферменти(fermentatio лат. – бродіння), інша їхня назва – ензими (en zumh грець. – у дріжджах) – це білки, що мають каталітичну активність, вони здатні збільшувати швидкості біохімічних процесів у тисячі разів. Під впливом ферментів складові компоненти їжі: білки, жири і вуглеводи – розщеплюються до простих сполук, у тому числі синтезуються нові макромолекули, необхідні організму певного типу. Ферменти беруть участь у багатьох біохімічних процесах синтезу, наприклад, у синтезі білків (одні білки допомагають синтезувати інші). Див. ФЕРМЕНТИ

Ферменти як високоефективні каталізатори, а й селективні (направляють реакцію суворо у заданому напрямі). У їх присутності реакція проходить майже зі 100%-ним виходом без утворення побічних продуктів і при цьому умови перебігу – м'які: нормальний атмосферний тиск і температура живого організму. Для порівняння, синтез аміаку з водню та азоту в присутності каталізатора - активованого заліза - проводять при 400-500 ° С та тиску 30 МПа, вихід аміаку 15-25% за один цикл. Ферменти вважаються неперевершеними каталізаторами.

Інтенсивне дослідження ферментів почалося в середині 19 ст, зараз вивчено більше 2000 різних ферментів, це найрізноманітніший клас білків.

Назви ферментів складають наступним чином: до найменування реагенту, з яким взаємодіє фермент, або до назви реакції, що каталізується, додають закінчення -аза, наприклад, аргіназа розкладає аргінін (табл. 1), декарбоксилаза каталізує декарбоксилювання, тобто. відщеплення СО 2 від карбоксильної групи:

- СООН → - СН + СО 2

Часто, для більш точного позначення ролі ферменту в його назві вказують і об'єкт, і тип реакції, наприклад, алкогольдегідрогеназу - фермент, що здійснює дегідрування спиртів.

Для деяких ферментів, відкритих досить давно, збереглася історична назва (без закінчення аза), наприклад, пепсин (pepsis, грец. травлення) та трипсин (thrypsis грец. розрідження), ці ферменти розщеплюють білки.

Для класифікації ферменти об'єднують у великі класи, в основу класифікації покладено тип реакції, класи називають за загальним принципом – назва реакції та закінчення – аза. Далі перераховані деякі з таких класів.

Оксидоредуктази- Ферменти, що каталізують окисно-відновні реакції. Дегідрогенази, що входять в цей клас, здійснюють перенесення протона, наприклад алкогольдегідрогеназу (АДГ) окислює спирти до альдегідів, подальше окислення альдегідів до карбонових кислот каталізують альдегіддегідрогенази (АЛДГ). Обидва процеси відбуваються в організмі під час переробки етанолу в оцтову кислоту (рис. 18).

Рис. 18 ДВОХСТАДІЙНИЙ ОКИСНЕННЯ ЕТАНОЛУдо оцтової кислоти

Наркотичною дією має не етанол, а проміжний продукт ацетальдегіду, чим нижча активність ферменту АЛДГ, тим повільніше проходить друга стадія – окислення ацетальдегіду до оцтової кислоти і тим довше і сильніше виявляється п'янка дія від внутрішнього прийому етанолу. Аналіз показав, що у 80% представників жовтої раси щодо низька активність АЛДГ і тому помітно тяжча переносимість алкоголю. Причина такої вродженої зниженої активності АЛДГ у тому, що частина залишків глутамінової кислоти в молекулі «ослабленої» АЛДГ замінено фрагментами лізину (табл. 1).

Трансферази- ферменти, що каталізують перенесення функціональних груп, наприклад, трансіміназ каталізує переміщення аміногрупи.

Гідролази- Ферменти, що каталізують гідроліз. Згадані раніше трипсин та пепсин здійснюють гідроліз пептидних зв'язків, а ліпази розщеплюють складноефірний зв'язок у жирах:

-RС(О)ОR 1 +Н 2 О → -RС(О)ОН + НОR 1

Ліази– ферменти, що каталізують реакції, які проходять не гідролітичним шляхом, внаслідок таких реакцій відбувається розрив зв'язків С-С, С-О, С-N та утворення нових зв'язків. Фермент декарбоксилазу належить до цього класу

Ізомерази– ферменти, що каталізують ізомеризацію, наприклад, перетворення малеїнової кислоти на фумарову (рис. 19), це приклад цис – транс ізомеризації (див. ІЗОМЕРІЯ).

Рис. 19. ІЗОМЕРІЗАЦІЯ МАЛЕЇНОВОЇ КИСЛОТИу фумарову у присутності ферменту.

У роботі ферментів дотримується загальний принцип, відповідно до якого завжди є структурна відповідність ферменту і реагенту реакції, що прискорюється. За образним виразом одного з засновників вчення про ферменти Е. Фішера, реагент підходить до ферменту, як ключ до замку. У зв'язку з цим, кожен фермент каталізує певну хімічну реакцію або групу реакцій одного типу. Іноді фермент може діяти на одну єдину сполуку, наприклад, уреаза (uron грец. – сеча) каталізує лише гідроліз сечовини:

(H 2 N) 2 C = O + H 2 O = CO 2 + 2NH 3

Найбільш тонку вибірковість виявляють ферменти, що розрізняють оптично активні антиподи – ліво- та правообертальні ізомери. L-аргіназа діє тільки на лівообертаючі аргінін і не зачіпає правообертаючий ізомер. L-лактатдегідрогеназа діє тільки на лівообертаючі ефіри молочної кислоти, так звані лактати (lactis лат. молоко), у той час як D-лактатдегідрогеназа розщеплює виключно D-лактати.

Більшість ферментів діє не так на одне, але в групу споріднених сполук, наприклад, трипсин «воліє» розщеплювати пептидні зв'язку утворені лізином і аргиніном (табл. 1.)

Каталітичні властивості деяких ферментів, таких як гідролази, визначаються виключно будовою самої білкової молекули, інший клас ферментів - оксидоредуктази (наприклад, алкогольдегідрогеназу) можуть проявляти активність тільки в присутності пов'язаних з ними небілкових молекул - вітамінів, що активують іонів Mg, Са, Zn, Мn і фрагментів нуклеїнових кислот (рис. 20).

Рис. 20 МОЛЕКУЛА АЛКОГОЛЬДЕГІДРОГЕНАЗИ

Транспортні білки пов'язують і переносять різні молекули або іони через мембрани клітин (як усередину клітини, так і назовні), а також від одного органу до іншого.

Наприклад, гемоглобін зв'язує кисень при проходженні крові через легені і доставляє його до різних тканин організму, де кисень вивільняється і потім використовується для окислення компонентів їжі, цей процес є джерелом енергії (іноді вживають термін «спалювання» харчових продуктів в організмі).

Крім білкової частини, гемоглобін містить комплексне з'єднання заліза з циклічною молекулою порфірином (porphyros). грец. - пурпур), що і зумовлює червоний колір крові. Саме цей комплекс (мал. 21, ліворуч) відіграє роль переносника кисню. У гемоглобіні порфіриновий комплекс заліза розташовується всередині білкової молекули та утримується за допомогою полярних взаємодій, а також координаційного зв'язку з азотом у гістидині (табл. 1), що входить до складу білка. Молекула О2, яку переносить гемоглобін, приєднується за допомогою координаційного зв'язку до атома заліза з боку, протилежного до тієї, до якої приєднаний гістидин (рис. 21, праворуч).

Рис. 21 БУДОВА КОМПЛЕКСУ ЗАЛІЗУ

Справа показано будову комплексу у формі об'ємної моделі. Комплекс утримується в білковій молекулі за допомогою координаційного зв'язку (синій пунктир) між атомом Fe та атомом N у гістидині, що входить до складу білка. Молекула О 2 яку переносить гемоглобін, приєднана координаційно (червоний пунктир) до атома Fe з протилежної країни плоского комплексу.

Гемоглобін - один з найбільш докладно вивчених білків, він складається з a-спіралей, з'єднаних одиночними ланцюгами, і містить у своєму складі чотири комплекси заліза. Таким чином, гемоглобін є як би об'ємистою упаковкою для перенесення відразу чотирьох молекул кисню. За формою гемоглобін відповідає глобулярним білкам (рис. 22).

Рис. 22 ГЛОБУЛЯРНА ФОРМА ГЕМОГЛОБІНУ

Основне «гідність» гемоглобіну у тому, що приєднання кисню і його відщеплення при передачі різним тканинам і органам проходить швидко. Монооксид вуглецю, СО (чадний газ), зв'язується з Fe в гемоглобіні ще швидше, але, на відміну від Про 2, утворює комплекс, що важко руйнується. В результаті такий гемоглобін не здатний пов'язувати Про 2, що призводить (при вдиханні великої кількості чадного газу) до загибелі організму від ядухи.

Друга функція гемоглобіну – перенесення СО 2 , що видихається, але в процесі тимчасового зв'язування вуглекислоти бере участь не атом заліза, а H 2 N-групи білка.

«Роботоспроможність» білків залежить від їх будови, наприклад, заміна єдиного амінокислотного залишку глутамінової кислоти в поліпептидному ланцюгу гемоглобіну на залишок валіну (зрідка спостерігається вроджена аномалія) призводить до захворювання, званого серповидноклітинна анемія.

Існують також транспортні білки, здатні пов'язувати жири, глюкозу, амінокислоти та переносити їх як усередину, так і поза клітинами.

Транспортні білки особливого типу не переносять самі речовини, а виконують функції транспортного регулювальника, пропускаючи певні речовини крізь мембрану (зовнішню стінку клітини). Такі білки найчастіше називають мембранними. Вони мають форму пустотілого циліндра і, вбудовуючись у стінку мембрани, забезпечують переміщення деяких полярних молекул або іонів усередину клітини. Приклад мембранного білка – порин (рис. 23).

Рис. 23 БІЛОК ПОРІН

Харчові та запасні білки, як випливає з назви, є джерелами внутрішнього харчування, частіше для зародків рослин і тварин, а також на ранніх стадіях розвитку молодих організмів. До харчових білків відносять альбумін (рис. 10) – основний компонент яєчного білка, а також казеїн – головний білок молока. Під дією ферменту пепсину казеїн у шлунку створюється, це забезпечує його затримку в травному тракті та ефективне засвоєння. Казеїн містить фрагменти всіх амінокислот, необхідні організму.

У феритині (мал. 12), що міститься у тканинах тварин, запасені іони заліза.

До запасних білків відносять також міоглобін, що за складом і будовою нагадує гемоглобін. Міоглобін зосереджений головним чином у м'язах, його основна роль – зберігання кисню, який йому віддає гемоглобін. Він швидко насичується киснем (набагато швидше ніж гемоглобін), а потім поступово передає його різним тканинам.

Структурні білки виконують захисну функцію (шкірний покрив) або опорну – скріплюють організм у єдине ціле та надають йому міцності (хрящі та сухожилля). Їхнім головним компонентом є фібрилярний білок колаген (рис. 11), найбільш поширений білок тваринного світу, в організмі ссавців, на його частку припадає майже 30% від усієї маси білків. Колаген має високу міцність на розрив (відома міцність шкіри), але через малого вмісту поперечних зшивок у колагені шкіри, шкіри тварин мало придатні у сирому вигляді для виготовлення різних виробів. Щоб зменшити набухання шкіри у воді, усадку при сушінні, а також для збільшення міцності в обводненому стані та підвищення пружності в колагені створюють додаткові поперечні зшивки (рис. 15а), це так званий процес дублення шкіри.

У живих організмах молекули колагену, що виникли у процесі зростання та розвитку організму, не оновлюються і не замінюються наново синтезованими. У міру старіння організму збільшується кількість поперечних зшивок у колагені, що призводить до зниження його еластичності, а оскільки оновлення не відбувається, то виявляються вікові зміни – збільшення крихкості хрящів та сухожилля, поява зморшок на шкірі.

У суглобових зв'язках міститься еластин – структурний білок, що легко розтягується у двох вимірах. Найбільшу еластичність має білок гум, який знаходиться в місцях шарнірного прикріплення крил у деяких комах.

Рогові освіти – волосся, нігті, пір'я складаються, в основному, з білка кератину (рис. 24). Його основна відмінність - помітний вміст залишків цистеїну, що утворює дисульфідні містки, що надає високу пружність (здатність відновлювати вихідну форму після деформації) волоссю, а також вовняним тканинам.

Рис. 24. ФРАГМЕНТ ФІБРИЛЯРНОГО БІЛКУ КЕРАТИНУ

Для необоротної зміни форми кератинового об'єкта потрібно спочатку зруйнувати дисульфідні містки за допомогою відновника, надати нову форму, а потім знову створити дисульфідні містки за допомогою окисника (рис. 16), саме так робиться, наприклад, хімічна завивка волосся.

При збільшенні вмісту залишків цистеїну в кератині і, відповідно, зростанні кількості дисульфідних містків здатність до деформації зникає, але при цьому з'являється висока міцність (у рогах копитних тварин і черепах панцирях міститься до 18% цистеїнових фрагментів). В організмі ссавців міститься до 30 різних типів кератину.

Споріднений кератину фібрилярний білок фіброїн, що виділяється гусеницями шовкопряда при завивці кокона, а також павуками при плетінні павутини, містить тільки β-структури, з'єднані одиночними ланцюгами (рис. 11). На відміну від кератину, фіброїн не має поперечних дисульфідних містків, він має дуже міцний на розрив (міцність у розрахунку на одиницю поперечного перерізу у деяких зразків павутини вище, ніж у сталевих тросів). Через відсутність поперечних зшивок фіброїн непружний (відомо, що вовняні тканини майже незмінні, а шовкові легко мнуться).

Регуляторні білки.

Регуляторні білки, найчастіше звані гормонами, беруть участь у різних фізіологічних процесах. Наприклад, гормон інсулін (рис. 25) складається з двох α-ланцюгів, з'єднаних дисульфідними містками. Інсулін регулює обмінні процеси за участю глюкози, його відсутність веде до діабету.

Рис. 25 БІЛОК ІНСУЛІН

У гіпофізі мозку синтезується гормон, який регулює зростання організму. Існують регуляторні білки, що контролюють біосинтез різних ферментів в організмі.

Скоротливі та рухові білки надають організму здатності скорочуватися, змінювати форму та переміщатися, перш за все, йдеться про м'язи. 40% від маси всіх білків, що містяться в м'язах, становить міозин (mys, myos, грец. - М'яз). Його молекула містить одночасно фібрилярну та глобулярну частину (рис. 26)

Рис. 26 МОЛЕКУЛА МІОЗІНА

Такі молекули поєднуються у великі агрегати, що містять 300-400 молекул.

При зміні концентрації іонів кальцію у просторі, що оточує м'язові волокна, відбувається оборотна зміна конформації молекул – зміна форми ланцюга за рахунок повороту окремих фрагментів навколо валентних зв'язків. Це призводить до скорочення та розслаблення м'язів, сигнал для зміни концентрації іонів кальцію надходить від нервових закінчень у м'язових волокнах. Штучне скорочення м'язів можна викликати дією електричних імпульсів, що призводять до різкої зміни концентрації іонів кальцію, на цьому ґрунтується стимуляція серцевого м'яза для відновлення роботи серця.

Захисні білки дозволяють уберегти організм від вторгнення бактерій, що атакують його, вірусів і від проникнення чужорідних білків (узагальнена назва чужорідних тіл – антигени). Роль захисних білків виконують імуноглобуліни (інша їхня назва – антитіла), вони розпізнають антигени, що проникли в організм, і міцно зв'язуються з ними. В організмі ссавців, включаючи людину, є п'ять класів імуноглобулінів: M, G, A, D та E, їх структура, як випливає з назви, глобулярна, крім того, всі вони побудовані подібним чином. Молекулярна організація антитіл показана на прикладі імуноглобуліну класу G (рис. 27). Молекула містить чотири поліпептидні ланцюги, об'єднані трьома дисульфідними містками S-S (на рис. 27 вони показані з потовщеними валентними зв'язками і великими символами S), крім того, кожен полімерний ланцюг містить внутрішньоланцюгові дисульфідні перемички. Два великі полімерні ланцюги (виділені синім кольором) містять 400-600 амінокислотних залишків. Два інші ланцюги (виділені зеленим кольором) майже вдвічі коротші, вони містять приблизно 220 залишків амінокислот. Всі чотири ланцюги розташовані таким чином, що кінцеві H2N-групи направлені в один бік.

Рис. 27 СХЕМАТИЧНЕ ЗОБРАЖЕННЯ СТРУКТУРИ ІМУНОГЛОБУЛІНУ

Після контакту організму з чужорідним білком (антигеном) клітини імунної системи починають виробляти імуноглобуліни (антитіла), які накопичуються в сироватці крові. На першому етапі основну роботу здійснюють ділянки ланцюгів, що містять кінцеві H 2 N (на рис. 27 відповідні ділянки відзначені світло-синім та світло-зеленим кольором). Це область захоплення антигенів. У процесі синтезу імуноглобуліну ці ділянки формується таким чином, щоб їх будова і конфігурація максимально відповідали структурі антигену, що наближався (як ключ до замку, подібно до ферментів, але завдання в даному випадку інші). Таким чином, для кожного антигену як імунна відповідь створюється строго індивідуальне антитіло. Настільки «пластично» змінювати будову в залежності від зовнішніх факторів, крім імуноглобулінів, не може жоден відомий білок. Ферменти вирішують завдання структурної відповідності реагенту іншим шляхом – за допомогою гігантського набору різноманітних ферментів для всіх можливих випадків, а імуноглобуліни щоразу наново перебудовують «робочий інструмент». Крім того, шарнірна ділянка імуноглобуліну (мал. 27) забезпечує двом областям захоплення деяку незалежну рухливість, в результаті молекула імуноглобуліну може «знайти» відразу два найбільш зручні для захоплення ділянки в антигені з тим, щоб його надійно зафіксувати, це нагадує дії ракоподібної істоти.

Далі включається ланцюг послідовних реакцій імунної системи організму, підключаються імуноглобуліни інших класів, внаслідок чого відбувається дезактивація чужорідного білка, а потім знищення та видалення антигену (стороннього мікроорганізму або токсину).

Після контакту з антигеном максимальна концентрація імуноглобуліну досягається (залежно від природи антигену та індивідуальних особливостей самого організму) протягом кількох годин (іноді кількох днів). Організм зберігає пам'ять про такий контакт, і при повторній атаці таким же антигеном імуноглобуліни накопичуються у сироватці крові значно швидше та у більшій кількості – виникає набутий імунітет.

Наведена класифікація білків носить певною мірою умовний характер, наприклад білок тромбін, згаданий серед захисних білків, по суті є ферментом, що каталізує гідроліз пептидних зв'язків, тобто відноситься до класу протеаз.

До захисних білків часто відносять білки зміїної отрути та токсичні білки деяких рослин, оскільки їхнє завдання – уберегти організм від пошкоджень.

Є білки, функції яких настільки унікальні, що це ускладнює їхню класифікацію. Наприклад, білок монеллін, що міститься в одному з африканських рослин, дуже солодкий на смак, він став предметом вивчення як нетоксична речовина, яка може бути використана замість цукру для запобігання ожиріння. Плазма крові деяких антарктичних риб містить білки з властивостями антифризу, що оберігає кров цих риб від замерзання.

Штучний синтез білків.

Конденсація амінокислот, що призводить до поліпептидного ланцюга, є добре вивченим процесом. Можна провести, наприклад, конденсацію будь-якої однієї амінокислоти або суміші кислот і отримати, відповідно, полімер, що містить однакові ланки, або різні ланки, що чергуються у випадковому порядку. Такі полімери мало схожі на природні поліпептиди і не мають біологічної активності. Основне завдання полягає в тому, щоб з'єднувати амінокислоти в строго визначеному, наперед наміченому порядку, щоб відтворити послідовність амінокислотних залишків у природних білках. Американський вчений Роберт Мерріфілд запропонував оригінальний метод, який дозволив вирішити таке завдання. Сутність методу полягає в тому, що першу амінокислоту приєднують до нерозчинного полімерного гелю, який містить реакційно-здатні групи, здатні з'єднуватися з СООН – групами амінокислоти. В якості такої полімерної підкладки було взято зшитий полістирол із введеними в нього хлорметильними групами. Щоб взята для реакції амінокислота не прореагувала сама з собою і щоб вона не приєдналася H 2 N-групою до підкладки, аміногрупу цієї кислоти попередньо блокують об'ємним заступником [(З 4 Н 9) 3 ] 3 ОС(О)-групою. Після того, як амінокислота приєдналася до полімерної підкладки, блокуючу групу видаляють і реакційну суміш вводять іншу амінокислоту, у якої також попередньо заблокована H 2 N-група. У такій системі можлива лише взаємодія H 2 N-групи першої амінокислоти та групи -СООН другої кислоти, яку проводять у присутності каталізаторів (солей фосфонію). Далі всю схему повторюють, запроваджуючи третю амінокислоту (рис. 28).

Рис. 28. СХЕМА СИНТЕЗУ ПОЛІПЕПТИДНИХ ЛАНЦЮГІВ

На останній стадії отримані поліпептидні ланцюги відокремлюють від полістирольної підкладки. Зараз весь процес автоматизовано, існують автоматичні синтезатори пептидів, що діють за описаною схемою. Таким методом синтезовано безліч пептидів, що використовуються в медицині та сільському господарстві. Вдалося також отримати покращені аналоги природних пептидів із виборчою та посиленою дією. Синтезовано деякі невеликі білки, наприклад гормон інсуліну та деякі ферменти.

Існують також методи синтезу білків, що копіюють природні процеси: синтезують фрагменти нуклеїнових кислот, налаштованих на отримання певних білків, потім ці фрагменти вбудовують у живий організм (наприклад, бактерію), після чого організм починає виробляти потрібний білок. У такий спосіб зараз отримують значну кількість важкодоступних білків і пептидів, а також їх аналогів.

Білки як джерела живлення.

Білки в живому організмі постійно розщеплюються на вихідні амінокислоти (за обов'язковою участю ферментів), одні амінокислоти переходять на інші, потім білки знову синтезуються (також з участю ферментів), тобто. організм постійно оновлюється. Деякі білки (колаген шкіри, волосся) не оновлюються, організм безперервно їх втрачає і натомість синтезує нові. Білки як джерела живлення виконують дві основні функції: вони постачають в організм будівельний матеріал для синтезу нових білкових молекул і, крім того, забезпечують організм енергією (джерела калорій).

Плотоядні ссавці (у тому числі і людина) отримують необхідні білки з рослинною та тваринною їжею. Жоден із отриманих із їжею білків не вбудовується в організм у постійному вигляді. У травному тракті всі поглинені білки розщеплюються до амінокислот, і вже з них будуються білки, необхідні конкретному організму, при цьому з 8 незамінних кислот (табл. 1) в організмі можуть синтезуватися інші 12, якщо вони не надходять у достатній кількості з їжею, але незамінні кислоти повинні надходити з їжею обов'язково. Атоми сірки в цистеїні організм отримує із незамінною амінокислотою – метіоніном. Частина білків розпадається, виділяючи енергію, необхідну підтримки життєдіяльності, а що міститься у яких азот виводиться з організму із сечею. Зазвичай організм людини втрачає 25-30 р. білка на добу, тому білкова їжа повинна бути постійно в потрібній кількості. Мінімальна добова потреба у білку становить у чоловіків 37 г, у жінок 29 г, проте рекомендовані норми споживання майже вдвічі вищі. Оцінюючи харчових продуктів важливо враховувати якість білка. За відсутності або низького вмісту незамінних амінокислот білок вважається малоцінним, тому такі білки повинні споживатися у більшій кількості. Так, білки бобових культур містять мало метіоніну, а в білках пшениці та кукурудзи низький вміст лізину (обидві амінокислоти незамінні). Тварини білки (за винятком колагенів) відносять до повноцінних харчових продуктів. Повний набір всіх незамінних кислот містить казеїн молока, а також сир, що готуються з нього, тому вегетаріанська дієта, в тому випадку, якщо вона дуже строга, тобто. «безмолочна», потребує посиленого споживання бобових культур, горіхів та грибів для постачання організму незамінними амінокислотами у потрібній кількості.

Синтетичні амінокислоти та білки використовують і як харчові продукти, додаючи їх у корми, які містять незамінні амінокислоти у малій кількості. Існують бактерії, які можуть переробляти та засвоювати вуглеводні нафти, у цьому випадку для повноцінного синтезу білків їх потрібно підгодовувати азотовмісними сполуками (аміак або нітрати). Отриманий таким способом білок використовують як корм для худоби і свійської птиці. У комбікорм домашніх тварин часто додають набір ферментів - карбогідраз, які каталізують гідроліз складових компонентів вуглеводної їжі (клітинні стінки зернових культур), що важко розкладаються, в результаті чого рослинна їжа засвоюється більш повно.

Михайло Левицький

БІЛКИ (стаття 2)

(Протеїни), клас складних азотовмісних сполук, найбільш характерних і важливих (поряд з нуклеїновими кислотами) компонентів живої речовини. Білки виконують численні та різноманітні функції. Більшість білків – ферменти, що каталізують хімічні реакції. Багато гормонів, що регулюють фізіологічні процеси, також є білками. Такі структурні білки, як колаген та кератин, служать головними компонентами кісткової тканини, волосся та нігтів. Скоротливі білки м'язів мають здатність змінювати свою довжину, використовуючи хімічну енергію для виконання механічної роботи. До білків відносяться антитіла, які пов'язують та нейтралізують токсичні речовини. Деякі білки, здатні реагувати зовнішні впливи (світло, запах), служать органів почуттів рецепторами, сприймають роздратування. Багато білки, розташовані всередині клітини та на клітинній мембрані, виконують регуляторні функції.

У першій половині 19 ст. багато хіміків, і серед них насамперед Ю.фон Лібіх, поступово дійшли висновку, що білки є особливим класом азотистих сполук. Назва «протеїни» (від грец. Protos – перший) запропонував у 1840 році голландський хімік Г.Мульдер.

ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ

Білки в твердому стані білого кольору, а в розчині безбарвні, якщо вони не несуть якої-небудь хромофорної (забарвленої) групи, як, наприклад, гемоглобін. Розчинність у воді у різних білків дуже варіює. Вона змінюється також залежно від рН і від концентрації солей у розчині, так що можна підібрати умови, за яких один якийсь білок вибірково осаджуватиметься в присутності інших білків. Цей метод «висолювання» широко використовується для виділення та очищення білків. Очищений білок часто випадає в осад із розчину у вигляді кристалів.

У порівнянні з іншими сполуками молекулярна маса білків дуже велика – від кількох тисяч до багатьох мільйонів дальтонів. Тому при ультрацентрифугуванні білки осідають, і до того ж з різною швидкістю. Завдяки присутності в молекулах білків позитивно та негативно заряджених груп вони рухаються з різною швидкістю та в електричному полі. На цьому заснований електрофорез - метод, який застосовується для виділення індивідуальних білків зі складних сумішей. Очищення білків проводять методом хроматографії.

ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ

Будова.

Білки – це полімери, тобто. молекули, побудовані, як ланцюга, з мономерних ланок, що повторюються, або субодиниць, роль яких відіграють у них aльфа-амінокислоти. Загальна формула амінокислот

де R - атом водню або якась органічна група.

Білкова молекула (поліпептидний ланцюг) може складатися лише з відносно невеликої кількості амінокислот або з кількох тисяч мономерних ланок. З'єднання амінокислот в ланцюгу можливе тому, що кожна з них має дві різні хімічні групи: аміногрупа, що володіє основними властивостями, NH2, і кислотна карбоксильна група, СООН. Обидві ці групи приєднані до а-тому вуглецю. Карбоксильна група однієї амінокислоти може утворити амідний (пептидний) зв'язок з аміногрупою іншої амінокислоти:

Після того як дві амінокислоти таким чином з'єдналися, ланцюг може нарощуватися шляхом додавання до другої третьої амінокислоти і т.д. Як видно з наведеного вище рівняння, при утворенні пептидного зв'язку виділяється молекула води. У присутності кислот, лугів або протеолітичних ферментів реакція йде у зворотному напрямку: поліпептидний ланцюг розщеплюється на амінокислоти із приєднанням води. Така реакція називається гідролізом. Гідроліз протікає спонтанно, а для з'єднання амінокислот у поліпептидний ланцюг потрібна енергія.

Карбоксильна група і амідна група (або подібна з нею імідна – у разі амінокислоти проліну) є у всіх амінокислот, відмінності між амінокислотами визначаються природою тієї групи, або «бічного ланцюга», яка позначена вище літерою R. Роль бічного ланцюга може грати і один атом водню, як у амінокислоти гліцину, і якесь об'ємне угруповання, як у гістидину і триптофану. Деякі бічні ланцюги в хімічному сенсі інертні, тоді як інші мають помітну реакційну здатність.

Синтезувати можна багато тисяч різних амінокислот, і безліч різних амінокислот зустрічається в природі, але для синтезу білків використовується тільки 20 видів амінокислот: аланін, аргінін, аспарагін, аспарагінова кислота, валін, гістидин, гліцин, глутамін, глутамінова кислота, ізоцин , метіонін, пролін, серин, тирозин, треонін, триптофан, фенілаланін та цистеїн (у білках цистеїн може бути у вигляді димеру – цистину). Правда, в деяких білках присутні й інші амінокислоти, крім двадцяти, що регулярно зустрічаються, але вони утворюються в результаті модифікації якої-небудь з двадцяти перерахованих вже після того, як вона включилася в білок.

Оптична активність.

У всіх амінокислот, за винятком гліцину, до атому вуглецю приєднані чотири різні групи. З погляду геометрії, чотири різні групи можуть бути приєднані двома способами, і відповідно є дві можливі конфігурації, або два ізомери, що відносяться одна до одної, як предмет до свого дзеркального відображення, тобто. як ліва рука до правої. Одну конфігурацію називають лівою, або лівообертаючою (L), а іншу – правою, або правообертаючою (D), оскільки два таких ізомери розрізняються напрямком обертання площини поляризованого світла. У білках зустрічаються тільки L-амінокислоти (виняток становить гліцин; він може бути представлений лише однією формою, оскільки у нього дві з чотирьох груп однакові), і всі вони мають оптичну активність (оскільки є тільки один ізомер). D-амінокислоти у природі рідкісні; вони зустрічаються в деяких антибіотиках та клітинній оболонці бактерій.

Послідовність амінокислот.

Амінокислоти в поліпептидному ланцюгу розташовуються не випадковим чином, а у певному фіксованому порядку, і саме цей порядок визначає функції та властивості білка. Варіюючи порядок розташування 20 видів амінокислот, можна отримати безліч різних білків, так само, як з букв алфавіту можна скласти безліч різних текстів.

У минулому визначення амінокислотної послідовності якого-небудь білка йшло нерідко кілька років. Пряме визначення і тепер досить трудомістка справа, хоч створені прилади, що дозволяють вести його автоматично. Зазвичай простіше визначити нуклеотидну послідовність відповідного гена і вивести з неї амінокислотну послідовність білка. На цей час вже визначено амінокислотні послідовності багатьох сотень білків. Функції розшифрованих білків, як правило, відомі, і це допомагає уявити можливі функції подібних білків, що утворюються, наприклад, при злоякісних новоутвореннях.

Складні білки.

Білки, які з одних лише амінокислот, називають простими. Часто, однак, до поліпептидного ланцюга бувають приєднані атом металу або якесь хімічне з'єднання, що не є амінокислотою. Такі білки називаються складними. Прикладом може бути гемоглобін: він містить залізопорфірин, який визначає його червоний колір і дозволяє грати роль переносника кисню.

У назви більшості складних білків міститься вказівка ​​на природу приєднаних груп: у глікопротеїнах присутні цукру, у ліпопротеїнах – жири. Якщо від приєднаної групи залежить каталітична активність ферменту, її називають простетичної групою. Нерідко якийсь вітамін грає роль простетичної групи або входить до її складу. Вітамін А, наприклад, приєднаний до одного з білків сітківки, визначає її чутливість до світла.

Третинна структура.

Важлива не так сама амінокислотна послідовність білка (первинна структура), як спосіб її укладання в просторі. По всій довжині поліпептидного ланцюга іони водню утворюють регулярні водневі зв'язки, які надають їй форму спіралі чи шару (вторинна структура). З комбінації таких спіралей та шарів виникає компактна форма наступного порядку – третинна структура білка. Навколо зв'язків, що утримують мономірні ланки ланцюга, можливі повороти на невеликі кути. Тому з чисто геометричної точки зору кількість можливих конфігурацій для будь-якого поліпептидного ланцюга дуже велика. Насправді кожен білок існує в нормі тільки в одній конфігурації, що визначається його амінокислотною послідовністю. Структура ця не жорстка, вона ніби «дихає» - коливається навколо середньої конфігурації. Ланцюг складається в таку конфігурацію, при якій вільна енергія (здатність виконувати роботу) мінімальна, подібно до того як відпущена пружина стискається лише до стану, відповідного мінімуму вільної енергії. Нерідко одна частина ланцюга буває жорстко зчеплена з іншою дисульфідними (-S-S-) зв'язками між двома залишками цистеїну. Частково саме тому цистеїн серед амінокислот відіграє важливу роль.

Складність будови білків настільки велика, що ще неможливо обчислити третинну структуру білка, навіть відома його амінокислотна послідовність. Але якщо вдається отримати кристали білка, його третинну структуру можна визначити по дифракції рентгенівських променів.

У структурних, скорочувальних і деяких інших білків ланцюга витягнуті і кілька лежать поруч згорнутих ланцюгів утворюють фібрили; фібрили, своєю чергою, складаються у великі утворення – волокна. Проте більшість білків у розчині має глобулярну форму: ланцюги згорнуті у глобулі, як пряжа у клубку. Вільна енергія за такої конфігурації мінімальна, оскільки гідрофобні («відштовхуючі воду») амінокислоти приховані всередині глобули, а гідрофільні («притягують воду») знаходяться на її поверхні.

Багато білків – це комплекси з кількох поліпептидних ланцюгів. Така будова називається четвертинною структурою білка. Молекула гемоглобіну, наприклад, складається з чотирьох субодиниць, кожна з яких є глобулярним білок.

Структурні білки завдяки своїй лінійній конфігурації утворюють волокна, у яких межа міцності на розрив дуже високий, глобулярна конфігурація дозволяє білкам вступати в специфічні взаємодії з іншими сполуками. На поверхні глобули при правильному укладання ланцюгів виникають певної форми порожнини, у яких розміщені реакційноздатні хімічні групи. Якщо цей білок – фермент, то інша, зазвичай менша, молекула якоїсь речовини входить у таку порожнину подібно до того, як ключ входить у замок; при цьому змінюється конфігурація електронної хмари молекули під впливом хімічних груп, що знаходяться в порожнині, і це змушує її певним чином реагувати. У такий спосіб фермент каталізує реакцію. У молекулах антитіл теж є порожнини, у яких різні чужорідні речовини зв'язуються і цим знешкоджуються. Модель «ключа і замка», що пояснює взаємодію білків коїться з іншими сполуками, дозволяє зрозуміти специфічність ферментів і антитіл, тобто. їхня здатність реагувати тільки з певними сполуками.

Білки у різних видів організмів.

Білки, що виконують ту саму функцію у різних видів рослин і тварин і тому мають одну й ту саму назву, мають і подібну конфігурацію. Вони, однак, дещо різняться за своєю амінокислотною послідовністю. У міру того, як види дивергують від загального предка, деякі амінокислоти в певних положеннях заміщаються в результаті інших мутацій. Шкідливі мутації, що є причиною спадкових хвороб, вибраковуються природним відбором, але корисні або, принаймні, нейтральні можуть зберігатися. Чим ближче один до одного два будь-які біологічні види, тим менше відмінностей виявляється в їх білках.

Деякі білки змінюються відносно швидко, інші дуже консервативні. До останніх належить, наприклад, цитохром з – дихальний фермент, що є у більшості живих організмів. Людина і шимпанзе його амінокислотні послідовності ідентичні, а цитохромі з пшениці іншими виявилися лише 38% амінокислот. Навіть порівнюючи людину і бактерії, подібність цитохромів з (відмінності торкаються тут 65% амінокислот) все ще можна помітити, хоча загальний предок бактерії та людини жив на Землі близько двох мільярдів років тому. У наш час порівняння амінокислотних послідовностей часто використовують для побудови філогенетичного (генеалогічного) дерева, що відбиває еволюційні зв'язки між різними організмами.

Денатурація.

Синтезована молекула білка, складаючись, набуває властиву їй конфігурацію. Ця конфігурація, однак, може зруйнуватися при нагріванні, зміні рН, під дією органічних розчинників і навіть при простому збовтуванні розчину до появи на його поверхні бульбашок. Змінений у такий спосіб білок називають денатурованим; він втрачає свою біологічну активність і зазвичай стає нерозчинним. Добре знайомі всім приклади денатурованого білка – варені яйця чи збиті вершки. Невеликі білки, що містять лише близько сотні амінокислот, здатні ренатурувати, тобто. знову набувати вихідну конфігурацію. Але більшість білків перетворюється при цьому просто на масу поплутаних поліпептидних ланцюгів і колишню конфігурацію не відновлює.

Одна з головних труднощів при виділенні активних білків пов'язана з їхньою чутливістю до денатурації. Корисне застосування ця властивість білків знаходить при консервуванні харчових продуктів: висока температура необоротно денатурує ферменти мікроорганізмів, і мікроорганізми гинуть.

СИНТЕЗ БІЛКІВ

Для синтезу білка живий організм повинен мати систему ферментів, здатних приєднувати одну амінокислоту до іншої. Необхідне також джерело інформації, яка б визначала, які саме амінокислоти слід з'єднувати. Оскільки в організмі є тисячі видів білків і кожен із них складається в середньому з кількох сотень амінокислот, необхідна інформація має бути справді величезною. Зберігається вона (подібно до того, як зберігається запис на магнітній стрічці) у молекулах нуклеїнових кислот, з яких складаються гени.

Активація ферментів.

Синтезований з амінокислот поліпептидний ланцюг – це далеко не завжди білок у його остаточній формі. Багато ферментів синтезуються спочатку у вигляді неактивних попередників і переходять в активну форму лише після того, як інший фермент видалить на одному з кінців ланцюга кілька амінокислот. У такій неактивній формі синтезуються деякі травні ферменти, наприклад трипсин; ці ферменти активуються в шлунково-кишковому тракті в результаті видалення кінцевого фрагмента ланцюга. Гормон інсулін, молекула якого в активній формі складається з двох коротких ланцюгів, синтезується як одного ланцюга, т.зв. проінсуліну. Потім середня частина цього ланцюга видаляється, а фрагменти, що залишилися, зв'язуються один з одним, утворюючи активну молекулу гормону. Складні білки утворюються лише після того, як до білка буде приєднано певну хімічну групу, а для цього приєднання часто теж потрібен фермент.

Метаболічний кругообіг.

Після згодовування тварині амінокислот, мічених радіоактивними ізотопами вуглецю, азоту або водню, мітка швидко включається до його білків. Якщо мічені амінокислоти перестають надходити в організм, кількість мітки в білках починає знижуватися. Ці експерименти показують, що білки, що утворилися, не зберігаються в організмі до кінця життя. Усі вони, за небагатьма винятками, перебувають у динамічному стані, постійно розпадаються до амінокислот, та був знову синтезуються.

Деякі білки розпадаються, коли гинуть та руйнуються клітини. Це постійно відбувається, наприклад, з еритроцитами та клітинами епітелію, що вистилає внутрішню поверхню кишечника. Крім того, розпад та ресинтез білків протікають і в живих клітинах. Як не дивно, про розпад білків відомо менше, ніж про їхній синтез. Зрозуміло, однак, що в розпаді беруть участь протеолітичні ферменти, подібні до тих, які розщеплюють білки до амінокислот у травному тракті.

Період напіврозпаду у різних білків різний - від кількох годин до багатьох місяців. Єдиний виняток – молекули колагену. Якось утворившись, вони залишаються стабільними, не оновлюються і не замінюються. Згодом, однак, змінюються деякі їхні властивості, зокрема еластичність, а оскільки вони не оновлюються, наслідком виявляються певні вікові зміни, наприклад поява зморшок на шкірі.

Синтетичні білки.

Хіміки давно вже навчилися полімеризувати амінокислоти, але амінокислоти з'єднуються при цьому невпорядковано, тому продукти такої полімеризації мало схожі на природні. Щоправда, є можливість поєднувати амінокислоти в заданому порядку, що дозволяє одержувати деякі біологічно активні білки, зокрема, інсулін. Процес досить складний, і таким способом вдається одержувати ті білки, в молекулах яких міститься близько сотні амінокислот. Переважно замість цього синтезувати або виділити нуклеотидну послідовність гена, що відповідає бажаній амінокислотній послідовності, а потім ввести цей ген в бактерію, яка і вироблятиме шляхом реплікації велику кількість потрібного продукту. Цей метод, втім, теж має свої недоліки.

БІЛКИ І ЖИВЛЕННЯ

Коли білки в організмі розпадаються до амінокислот, ці амінокислоти можуть бути використані для синтезу білків. У той же час і самі амінокислоти схильні до розпаду, так що вони реутилізуються не повністю. Зрозуміло також, що в період росту, при вагітності та загоєнні ран синтез білків має перевищувати розпад. Деякі білки організм безперервно втрачає; це білки волосся, нігтів та поверхневого шару шкіри. Тому для синтезу білків кожен організм має одержувати амінокислоти з їжею.

Джерела амінокислот.

Зелені рослини синтезують із СО2, води та аміаку або нітратів усі 20 амінокислот, що зустрічаються у білках. Багато бактерій теж здатні синтезувати амінокислоти за наявності цукру (або якогось його еквівалента) і фіксованого азоту, а й цукор, зрештою, поставляється зеленими рослинами. У тварин здатність до синтезу амінокислот обмежена; вони отримують амінокислоти, поїдаючи зелені рослини чи інших тварин. У травному тракті поглинені білки розщеплюються до амінокислот, останні всмоктуються, і з них будуються білки, притаманні даного організму. Жоден поглинений білок не включається до структури тіла як такої. Єдиний виняток полягає в тому, що у багатьох ссавців частина материнських антитіл може в інтактному вигляді потрапити через плаценту в кровообіг плода, а через материнське молоко (особливо у жуйних) бути передане новонародженому відразу ж після появи на світ.

Потреба у білках.

Ясно, що для підтримки життя організм повинен отримувати з їжею кілька білків. Проте розміри цієї потреби залежить від низки чинників. Організму необхідна їжа як джерело енергії (калорій), і як матеріал для побудови його структур. На першому місці стоїть потреба в енергії. Це означає, що коли вуглеводів і жирів в раціоні мало, харчові білки використовуються не для синтезу власних білків, а як джерело калорій. При тривалому голодуванні навіть власні білки витрачаються задоволення енергетичних потреб. Якщо ж вуглеводів у раціоні достатньо, то споживання білків може бути знижено.

Азотний баланс.

У середньому прибл. 16% усієї маси білка становить азот. Коли входили до складу білків амінокислоти розщеплюються, азот, що містився в них, виводиться з організму з сечею і (меншою мірою) з калом у вигляді різних азотистих сполук. Зручно для оцінки якості білкового харчування використовувати такий показник, як азотистий баланс, тобто. різницю (у грамах) між кількістю азоту, що надійшов в організм, і кількістю виведеного азоту за добу. За нормального харчування у дорослого ці кількості рівні. У зростаючого організму кількість виведеного азоту менше кількості, що надійшов, тобто. баланс позитивний. При нестачі білків у раціоні баланс негативний. Якщо калорій у раціоні достатньо, але білки в ньому відсутні, організм зберігає білки. Білковий обмін уповільнюється, і повторна утилізація амінокислот у синтезі білка йде з максимально можливою ефективністю. Однак втрати неминучі, і азотисті сполуки все ж таки виводяться із сечею і частково з калом. Кількість азоту, виведеного з організму за добу при білковому голодуванні, може бути мірою добової нестачі білка. Природно припустити, що, ввівши до раціону кількість білка, еквівалентне цьому дефіциту, можна відновити азотистий баланс. Однак, це не так. Отримавши таку кількість білка, організм починає використовувати амінокислоти менш ефективно, так що для відновлення балансу азотистого потрібна деяка додаткова кількість білка.

Якщо кількість білка в раціоні перевищує необхідне підтримки азотистого балансу, то шкоди від цього, очевидно, немає. Надлишок амінокислот просто використовується як джерело енергії. Як особливо яскравий приклад можна послатися на ескімосів, які споживають мало вуглеводів і приблизно в десять разів більше білка, ніж потрібно для підтримки азотистого балансу. У більшості випадків, проте, використання білка як джерело енергії невигідно, оскільки з певної кількості вуглеводів можна отримати набагато більше калорій, ніж з тієї ж кількості білка. У бідних країнах населення отримує необхідні калорії за рахунок вуглеводів та споживає мінімальну кількість білка.

Якщо необхідну кількість калорій організм отримує у формі небілкових продуктів, то мінімальна кількість білка, що забезпечує підтримку азотистого балансу, становить для дорослої людини прибл. 30 г на добу. Приблизно стільки білка міститься у чотирьох скибочках хліба або 0,5 л молока. Оптимальним вважають зазвичай дещо більшу кількість; рекомендується від 50 до 70 г.

Незамінні амінокислоти.

Досі білок розглядався як ціле. Тим часом для того, щоб міг йти синтез білка, в організмі повинні бути присутніми всі необхідні амінокислоти. Деякі з амінокислот організм тварини сам здатний синтезувати. Їх називають замінними, оскільки вони не обов'язково повинні бути присутніми в раціоні, - важливо лише, щоб загалом надходження білка як джерела азоту було достатнім; тоді за браку замінних амінокислот організм може синтезувати їх з допомогою тих, що є надлишку. Інші, «незамінні», амінокислоти не можуть бути синтезовані і повинні надходити в організм із їжею. Для людини незамінними є валін, лейцин, ізолейцин, треонін, метіонін, фенілаланін, триптофан, гістидин, лізин та аргінін. (Хоча аргінін і може синтезуватися в організмі, його відносять до незамінних амінокислот, оскільки у новонароджених і дітей, що ростуть, він утворюється в недостатній кількості. З іншого боку, для людини зрілого віку надходження деяких з цих амінокислот з їжею може стати необов'язковим.)

Цей список незамінних амінокислот приблизно однаковий також у інших хребетних і навіть у комах. Поживну цінність білків зазвичай визначають, згодовуючи їх щурам, що ростуть, і стежачи за збільшенням ваги тварин.

Поживна цінність білків.

Поживну цінність білка визначають за тією незамінною амінокислотою, якої найбільше не вистачає. Проілюструємо це з прикладу. У білках нашого тіла міститься в середньому прибл. 2% триптофану (за вагою). Допустимо, що в раціон входить 10 г білка, що містить 1% триптофану, і що інших незамінних амінокислот у ньому достатньо. У нашому випадку 10 г цього неповноцінного білка, по суті, еквівалентні 5 г повноцінного; Інші 5 р можуть бути лише джерелом енергії. Зазначимо, що оскільки амінокислоти в організмі практично не запасаються, а для того щоб міг йти синтез білка, повинні одночасно бути присутніми всі амінокислоти, ефект від надходження незамінних амінокислот можна виявити лише в тому випадку, якщо всі вони надійдуть в організм одночасно.

Усереднений склад більшості тварин білків близький до усередненого складу білків людського тіла, так що амінокислотна недостатність нам навряд чи загрожує, якщо наш раціон багатий на такі продукти, як м'ясо, яйця, молоко і сир. Однак є білки, наприклад, желатин (продукт денатурації колагену), які містять дуже мало незамінних амінокислот. Рослинні білки, хоча вони в цьому сенсі і кращі за желатин, теж бідні незамінними амінокислотами; особливо мало в них лізину та триптофану. Тим не менш і чисто вегетаріанську дієту зовсім не можна вважати шкідливою, якщо при цьому споживається дещо більша кількість рослинних білків, достатня для того, щоб забезпечити організм незамінними амінокислотами. Найбільше білка міститься в рослин у насінні, особливо в насінні пшениці та різних бобових культур. Багаті білком також і молоді пагони, наприклад, у спаржі.

Синтетичні білки у раціоні.

Додаючи невеликі кількості синтетичних незамінних амінокислот або багатих ними білків до неповноцінних білків, наприклад білків кукурудзи, можна значно підвищити поживну цінність останніх, тобто. тим самим збільшити кількість споживаного білка. Інша можливість полягає у вирощуванні бактерій або дріжджів на вуглеводнях нафти з додаванням нітратів або аміаку як джерело азоту. Отриманий таким шляхом мікробний білок може служити кормом для свійської птиці або худоби, а може безпосередньо споживатися людиною. Третій, широко застосовується, метод використовує особливості фізіології жуйних тварин. У жуйних у початковому відділі шлунка, т.зв. рубці, мешкають особливі форми бактерій і найпростіших, які перетворюють неповноцінні рослинні білки на повноцінні мікробні білки, а ці, своєю чергою, – після перетравлення і всмоктування – перетворюються на тваринні білки. До корму худоби можна додати сечовину – дешеве синтетичне азотовмісне з'єднання. Які живуть у рубці мікроорганізми використовують азот сечовини для перетворення вуглеводів (яких у кормі значно більше) на білок. Близько третини всього азоту в кормі худоби може надходити у вигляді сечовини, що насправді і означає певною мірою хімічний синтез білка.

Класифікація білків базується на їхньому хімічному складі. Відповідно до цієї класифікації білки бувають простіі складні. Прості білки складаються тільки з амінокислот, тобто одного або декількох поліпептидів. До простих білків, що є в організмі людини, відносяться альбуміни, глобуліни, гістони, білки опорних тканин.

У молекулі складного білка, крім амінокислот, є ще неамінокислотна частина, звана простетичної групою.Залежно від будівлі цієї групи виділяють такі складні білки, як фосфопротеїди (містять фосфорну кислоту), нуклеопротеїди(містять нуклеїнову кислоту), глікопротеїди(містять вуглевод), ліпопротеїди(містять ліпоїд) та інші.

Відповідно до класифікації, що базується на просторовій формі білків, білки поділяються на фібрилярніі глобулярні.

Фібрилярні білки складаються зі спіралей, тобто переважно з вторинної структури. Молекули глобулярних білків мають кулясту та еліпсоїдну форму.

Прикладом фібрилярних білків є колаген –найпоширеніший білок у тілі людини. Перед цього білка припадає 25-30% від загальної кількості білків організму. Колаген має високу міцність і еластичність. Він входить до складу судин м'язів, сухожиль, хрящів, кісток, стінки судин.

Прикладом глобулярних білків є альбуміни та глобуліни плазми крові.

Фізико-хімічні властивості білків.

Однією з головних особливостей білків є їх велика молекулярна маса, Що коливається в діапазоні від 6000 до декількох мільйонів Дальтон.

Іншою важливою фізико-хімічною властивістю білків є їх амфотерність,тобто наявність, як кислотних, і основних властивостей.Амфотерність пов'язана з наявністю у складі деяких амінокислот вільних карбоксильних груп, тобто кислотних, та аміногруп, тобто лужних. Це призводить до того, що в кислому середовищі білки виявляють лужні властивості, а в лужному середовищі – кислотні. Проте за певних умов білки виявляють нейтральні властивості. Значення рН, у якому білки виявляють нейтральні властивості, називається ізоелектричною точкою. Ізоелектрична точка для кожного білка індивідуальна. Білки за цим показником ділять на два великі класи – кислі та лужні,оскільки ізоелектрична точка може бути зсунута або в одну або в іншу сторону.

Ще одна важлива властивість білкових молекул – це розчинність.Незважаючи на великий розмір молекул білки досить добре розчиняються у воді. Причому розчини білків у питній воді дуже стійкі. Першою причиною розчинності білків є наявність на поверхні молекул білків заряду, завдяки чому білкові молекули практично не утворюють нерозчинні у воді агрегати. Другою причиною стійкості білкових розчинів є наявність у білкової молекули гідратної (водної) оболонки. Гідратна оболонка відокремлює білки одна від одної.

Третя важлива фізико-хімічна властивість білків – це висолення,тобто здатність випадати в осад під дією водовіднімних засобів.Висолення - процес оборотний. Ця здатність переходити в розчин, то виходити з нього дуже важлива для прояву багатьох життєвих властивостей.

Нарешті, найважливішою властивістю білків є його здатність до денатурації.Денатурація – це втрата білком нативності.Коли ми робимо яєчню на сковороді, ми отримуємо необоротну денатурацію білка. Денатурація полягає в постійному або тимчасовому порушенні вторинної та третинної структури білка, але при цьому первинна структура зберігається. Крім температури (понад 50 градусів) денатурацію можуть викликати інші фізичні фактори: випромінювання, ультразвук, вібрація, сильні кислоти та луги. Денатурація може бути оборотною та незворотною. При невеликих впливах руйнування вторинної та третинної структур білка відбувається незначне. Тому білок за відсутності впливу, що денатурує, може відновити свою нативну структуру. Процес зворотної денатурації називається ренатурації.Однак при тривалому та сильному впливіренатурація стає неможливою, а денатурація, таким чином, необоротною.

Білки- Високомолекулярні органічні сполуки, що складаються із залишків α-амінокислот.

В склад білківвходять вуглець, водень, азот, кисень, сірка. Частина білків утворює комплекси з іншими молекулами, що містять фосфор, залізо, цинк та мідь.

Білки мають велику молекулярну масу: яєчний альбумін — 36 000, гемоглобін — 152 000, міозин — 500 000. Для порівняння: молекулярна маса спирту — 46, оцтової кислоти — 60, бензолу — 78.

Амінокислотний склад білків

Білки- неперіодичні полімери, мономерами яких є α-амінокислоти. Зазвичай як мономери білків називають 20 видів α-амінокислот, хоча в клітинах і тканинах їх виявлено понад 170.

Залежно від того, чи можуть амінокислоти синтезуватися в організмі людини та інших тварин, розрізняють: замінні амінокислоти- Можуть синтезуватися; незамінні амінокислоти- Не можуть синтезуватися. Незамінні амінокислоти повинні надходити в організм разом із їжею. Рослини синтезують усі види амінокислот.

Залежно від амінокислотного складу, білки бувають: повноцінними- Містять весь набір амінокислот; неповноцінними- Якісь амінокислоти в їхньому складі відсутні. Якщо білки складаються лише з амінокислот, їх називають простими. Якщо білки містять окрім амінокислот ще й неамінокислотний компонент (простетичну групу), їх називають складними. Простетична група може бути представлена ​​металами (металопротеїни), вуглеводами (глікопротеїни), ліпідами (ліпопротеїни), нуклеїновими кислотами (нуклеопротеїни).

Усе амінокислоти містять: 1) карбоксильну групу (-СООН); 2) аміногрупу (-NH 2); 3) радикал або R-групу (решта молекули). Будова радикала у різних видів амінокислот різна. Залежно від кількості аміногруп та карбоксильних груп, що входять до складу амінокислот, розрізняють: нейтральні амінокислоти, що мають одну карбоксильну групу та одну аміногрупу; основні амінокислоти, Що мають більше однієї аміногрупи; кислі амінокислоти, що мають більше однієї карбоксильної групи

Амінокислоти є амфотерними сполуками, Так як у розчині вони можуть виступати як у ролі кислот, так і основ. У водних розчинах амінокислоти існують у різних іонних формах.

Пептидний зв'язок

Пептиди- Органічні речовини, що складаються з залишків амінокислот, з'єднаних пептидним зв'язком.

Утворення пептидів відбувається внаслідок реакції конденсації амінокислот. При взаємодії аміногрупи однієї амінокислоти з карбоксильною групою іншої між ними виникає ковалентний азот-вуглецевий зв'язок, який і називають пептидний. Залежно кількості амінокислотних залишків, що входять до складу пептиду, розрізняють дипептиди, трипептиди, тетрапептидиі т.д. Утворення пептидного зв'язку може повторюватися багаторазово. Це призводить до освіти поліпептидів. На одному кінці пептиду знаходиться вільна аміногрупа (його називають N-кінцем), а на іншому - вільна карбоксильна група (його називають С-кінцем).

Просторова організація білкових молекул

Виконання білками певних специфічних функцій залежить від просторової конфігурації їх молекул, крім того, клітині енергетично невигідно тримати білки у розгорнутій формі, у вигляді ланцюжка, тому поліпептидні ланцюги піддаються укладання, набуваючи певної тривимірної структури, або конформації. Виділяють 4 рівні просторової організації білків.

Первинна структура білка- Послідовність розташування амінокислотних залишків у поліпептидному ланцюгу, що становить молекулу білка. Зв'язок між амінокислотами - пептидна.

Якщо молекула білка складається всього з 10 амінокислотних залишків, число теоретично можливих варіантів білкових молекул, що відрізняються порядком чергування амінокислот, — 10 20 . Маючи 20 амінокислот, можна скласти з них ще більшу кількість різноманітних комбінацій. В людини виявлено близько десяти тисяч різних білків, які відрізняються як один від одного, так і від білків інших організмів.

Саме первинна структура білкової молекули визначає властивості молекул білка та її просторову конфігурацію. Заміна лише однієї амінокислоти на іншу в поліпептидному ланцюжку призводить до зміни властивостей і функцій білка. Наприклад, заміна в β-субодиниці гемоглобіну шостої глутамінової амінокислоти на валін призводить до того, що молекула гемоглобіну в цілому не може виконувати свою основну функцію - транспорт кисню; у таких випадках у людини розвивається захворювання – серповидноклітинна анемія.

Вторинна структура- Упорядковане згортання поліпептидного ланцюга в спіраль (має вигляд розтягнутої пружини). Витки спіралі зміцнюються водневими зв'язками, що виникають між карбоксильними групами та аміногрупами. Практично всі СО- та NН-групи беруть участь в утворенні водневих зв'язків. Вони слабші пептидних, але, повторюючись багаторазово, надають цієї зміни стійкість і жорсткість. На рівні вторинної структури існують білки: фіброїн (шовк, павутиння), кератин (волосся, нігті), колаген (сухожилля).

Третинна структура- укладання поліпептидних ланцюгів у глобули, що виникає внаслідок виникнення хімічних зв'язків (водневих, іонних, дисульфідних) та встановлення гідрофобних взаємодій між радикалами амінокислотних залишків. Основну роль освіті третинної структури грають гидрофильно-гидрофобные взаємодії. У водних розчинах гідрофобні радикали прагнуть сховатися від води, групуючись усередині глобули, тоді як гідрофільні радикали в результаті гідратації (взаємодії з диполями води) прагнуть опинитися на поверхні молекули. У деяких білків третинна структура стабілізується дисульфідними ковалентними зв'язками, що виникають між атомами сірки двох залишків цистеїну. На рівні третинної структури є ферменти, антитіла, деякі гормони.

Четвертична структурай у складних білків, молекули яких утворені двома і більше глобулами. Субодиниці утримуються в молекулі завдяки іонним, гідрофобним та електростатичним взаємодіям. Іноді при утворенні четвертинної структури між субодиницями виникають дисульфідні зв'язки. Найбільш вивченим білком, що має четвертинну структуру, є гемоглобін. Він утворений двома α-субодиницями (141 амінокислотний залишок) та двома β-субодиницями (146 амінокислотних залишків). З кожною субодиницею пов'язана молекула гема, що містить залізо.

Якщо з будь-яких причин просторова конформація білків відхиляється від нормальної, білок не може виконувати своїх функцій. Наприклад, причиною «коров'ячого сказу» (губкоподібної енцефалопатії) є аномальна конформація пріонів – поверхневих білків нервових клітин.

Властивості білків

Амінокислотний склад, структура білкової молекули визначають його властивості. Білки поєднують у собі основні та кислотні властивості, що визначаються радикалами амінокислот: чим більше кислих амінокислот у білку, тим яскравіше виражені його кислотні властивості. Здатність віддавати та приєднувати Н+ визначають буферні властивості білків; один із найпотужніших буферів - гемоглобін в еритроцитах, що підтримує рН крові на постійному рівні. Є білки розчинні (фібриноген), є нерозчинні, що виконують механічні функції (фіброїн, кератин, колаген). Є білки активні у хімічному відношенні (ферменти), є хімічно неактивні, стійкі до впливу різних умов зовнішнього середовища та вкрай нестійкі.

Зовнішні фактори (нагрівання, ультрафіолетове випромінювання, важкі метали та їх солі, зміни рН, радіація, зневоднення)

можуть спричинити порушення структурної організації молекули білка. Процес втрати тривимірної конформації, властивої цій молекулі білка, називають денатурацією. Причиною денатурації є розрив зв'язків, що стабілізують певну структуру білка. Спочатку рвуться найслабші зв'язки, а при посиленні умов і сильніші. Тому спочатку втрачається четвертинна, потім третинна та вторинна структури. Зміна просторової конфігурації призводить до зміни властивостей білка і, як наслідок, унеможливлює виконання білком властивих йому біологічних функцій. Якщо денатурація не супроводжується руйнуванням первинної структури, вона може бути оборотний, у разі відбувається самовідновлення властивої білку конформації. Такої денатурації зазнають, наприклад, рецепторні білки мембрани. Процес відновлення структури білка після денатурації називається ренатурацією. Якщо відновлення просторової конфігурації білка неможливе, то денатурація називається незворотній.

Функції білків

Функція	Приклади та пояснення
Будівельна	Білки беруть участь в утворенні клітинних та позаклітинних структур: входять до складу клітинних мембран (ліпопротеїни, глікопротеїни), волосся (кератин), сухожилля (колаген) тощо.
Транспортна	Білок крові гемоглобін приєднує кисень і транспортує його від легень до всіх тканин та органів, а від них у легені переносить вуглекислий газ; до складу клітинних мембран входять особливі білки, які забезпечують активне і суворо вибіркове перенесення деяких речовин та іонів з клітини у зовнішнє середовище і назад.
Регуляторна	Гормони білкової природи беруть участь у регулюванні процесів обміну речовин. Наприклад, гормон інсулін регулює рівень глюкози в крові, сприяє синтезу глікогену, збільшує утворення жирів із вуглеводів.
захисна	У у відповідь проникнення в організм чужорідних білків чи мікроорганізмів (антигенів) утворюються особливі білки — антитіла, здатні пов'язувати і знешкоджувати їх. Фібрин, що утворюється з фібриногену, сприяє зупинці кровотеч.
Двигун	Скорочувальні білки актин та міозин забезпечують скорочення м'язів у багатоклітинних тварин.
Сигнальна	У поверхневу мембрану клітини вбудовані молекули білків, здатних змінювати свою третинну структуру у відповідь на дію факторів зовнішнього середовища, таким чином здійснюючи прийом сигналів із зовнішнього середовища та передачу команд у клітину.
Запасна	В організмі тварин білки, як правило, не запасаються, виняток: альбумін яєць, казеїн молока. Але завдяки білкам в організмі можуть відкладатися запас деякі речовини, наприклад, при розпаді гемоглобіну залізо не виводиться з організму, а зберігається, утворюючи комплекс з білком феритином.
Енергетична	При розпаді 1 г білка до кінцевих продуктів виділяється 176 кДж. Спочатку білки розпадаються до амінокислот, а потім до кінцевих продуктів – води, вуглекислого газу та аміаку. Однак як джерело енергії білки використовуються тільки тоді, коли інші джерела (вуглеводи та жири) витрачені.
Каталітична	Одна з найважливіших функцій білків. Забезпечується білками - ферментами, які прискорюють біохімічні реакції, які у клітинах. Наприклад, рибульозобіфосфаткарбоксилаза каталізує фіксацію СО 2 при фотосинтезі.

Ферменти

Ферменти, або ензими, - Особливий клас білків, що є біологічними каталізаторами. Завдяки ферментам біохімічні реакції протікають із величезною швидкістю. Швидкість ферментативних реакцій у десятки тисяч разів (а іноді й у мільйони) вища за швидкість реакцій, що йдуть за участю неорганічних каталізаторів. Речовина, на яку впливає фермент, називають субстратом.

Ферменти - глобулярні білки, особливостям будовиферменти можна розділити на дві групи: прості та складні. Прості ферментиє найпростішими білками, тобто. складаються лише з амінокислот. Складні ферментиє складними білками, тобто. до їх складу, крім білкової частини, входить група небілкової природи. кофактор. У деяких ферментів як кофактори виступають вітаміни. У молекулі ферменту виділяють особливу частину, яку називають активним центром. Активний центр- Невелика ділянка ферменту (від трьох до дванадцяти амінокислотних залишків), де і відбувається зв'язування субстрату або субстратів з утворенням фермент-субстратного комплексу. По завершенні реакції фермент-субстратний комплекс розпадається на фермент та продукт (продукти) реакції. Деякі ферменти мають (крім активного) алостеричні центри- Ділянки, до яких приєднуються регулятори швидкості роботи ферменту ( алостеричні ферменти).

Для реакцій ферментативного каталізу характерні: 1) висока ефективність, 2) строга вибірковість та спрямованість дії, 3) субстратна специфічність, 4) тонка та точна регуляція. Субстратну та реакційну специфічність реакцій ферментативного каталізу пояснюють гіпотези Е. Фішера (1890) та Д. Кошланда (1959).

Е. Фішер (гіпотеза «ключ-замок»)припустив, що просторові зміни активного центру ферменту та субстрату повинні точно відповідати один одному. Субстрат порівнюється з «ключом», фермент – із «замком».

Д. Кошланд (гіпотеза «рука-рукавичка»)припустив, що просторове відповідність структури субстрату і активного центру ферменту створюється лише у момент взаємодії друг з одним. Цю гіпотезу ще називають гіпотезою індукованої відповідності.

Швидкість ферментативних реакцій залежить від: 1) температури; 2) концентрації ферменту; 3) концентрації субстрату; 4) рН. Слід підкреслити, що оскільки ферменти є білками, їх активність найбільш висока при фізіологічно нормальних умовах.

Більшість ферментів може працювати лише за температури від 0 до 40 °С. У цих межах швидкість реакції підвищується приблизно вдвічі при підвищенні температури на кожні 10 °С. При температурі вище 40 ° С білок піддається денатурації та активність ферменту падає. При температурі, близькій до точки замерзання, ферменти інактивуються.

При збільшенні кількості субстрату швидкість ферментативної реакції зростає до того часу, поки кількість молекул субстрату стане рівним кількості молекул ферменту. При подальшому збільшенні кількості субстрату швидкість не збільшуватиметься, оскільки відбувається насичення активних центрів ферменту. Збільшення концентрації ферменту призводить до посилення каталітичної активності, так як в одиницю часу перетворень піддається більша кількість молекул субстрату.

Для кожного ферменту існує оптимальне значення рН, при якому він виявляє максимальну активність (пепсин – 2,0, амілаза слини – 6,8, ліпаза підшлункової залози – 9,0). За більш високих або низьких значень рН активність ферменту знижується. При різких зрушеннях рН фермент денатурує.

Швидкість роботи алостеричних ферментів регулюється речовинами, що приєднуються до алостеричних центрів. Якщо ці речовини прискорюють реакцію, вони називаються активаторами, якщо гальмують інгібіторами.

Класифікація ферментів

За типом каталізованих хімічних перетворень ферменти розділені на 6 класів:

1. оксиредуктази(перенесення атомів водню, кисню або електронів від однієї речовини до іншої - дегідрогеназу),
2. трансферази(перенесення метильної, ацильної, фосфатної або аміногрупи від однієї речовини до іншої – трансаміназа),
3. гідролази(Реакції гідролізу, при яких з субстрату утворюються два продукти - амілаза, ліпаза),
4. ліази(негідролітичне приєднання до субстрату або відщеплення від нього групи атомів, при цьому можуть розриватися зв'язки С-С, С-N, С-О, С-S - декарбоксилаза),
5. ізомерази(Внутрішньомолекулярна перебудова - ізомераза),
6. лігази(Сполука двох молекул в результаті утворення зв'язків С-С, С-N, С-О, С-S - синтетаза).

Класи у свою чергу поділені на підкласи та підпідкласи. У міжнародній класифікації, що діє, кожен фермент має певний шифр, що складається з чотирьох чисел, розділених точками. Перше число – клас, друге – підклас, третє – підпідклас, четверте – порядковий номер ферменту у цьому підпідкласі, наприклад, шифр аргінази – 3.5.3.1.

Перейти до лекції №2«Будова та функції вуглеводів та ліпідів»

Перейти до лекції №4«Будова та функції нуклеїнових кислот АТФ»