Вступ до біохімії. Амінокислотний склад, будова, фізико-хімічні властивості, класифікація та функції простих і складних білків

        Біологічна хімія – це наука про хімію життя. Суть життя не піддається простому визначенню. Протягом багатьох століть учені вкладали в це слово різний зміст. Відомі достовірно тільки характерні риси життя: ріст, рух, обмін речовин, розмноження та пристосування. Але кожну з цих рис, окремо взяту, можна спостерігати і в неживій природі. Наприклад, кристалики солей ростуть, розмножуються, але вони не належать до живих. Біохімія вивчає хімічні та фізико-хімічні прояви життя. А що таке наука? Під цим терміном розуміють діяльність людини, спрямовану на одержанння достовірних знань про зовнішній світ. Першоджерелами будь-яких наукових відомостей є окремо проведені спостереження або експериментальні дослідження.

        Результати експериментальних досліджень публікують у пресі: в наукових журналах чи збірниках наукових конференцій. У статтях автори детально описують встановлені ними факти і застосовані методи для того, щоб інші дослідники могли перевірити одержані результати. При відтворенні встановлених явищ чи фактів експериментальні дослі­дження вважають достовірним науковим фактом. Спостереження, які не можуть бути відтворені іншими дослідниками, відкидають. Якщо стаття опублікована в науковому журналі, то матеріал її вже входить в літературу з даного питання. Отже, мета кожної науки – пояснити спостережувані явища або результати експериментальних досліджень, пов'язуючи їх із раніше встановленими даними та іншими явищами чи фактами. На підставі об'єктивних досліджень науковець будує гіпотезу – припущення стосовно природи виявлених фактів чи результатів досліджень, можливих зв'язків між причиною і наслідком спостережуваних явищ. Гіпотеза перевіряється і вдосконалюється іншими дослідниками. І тільки та ­гіпотеза, яка узгоджується з багатьма іншими спостереженнями та експериментальними фактами, стає теорією. Треба зазначити, що наука  розвивається завдяки праці науковців і в суперечці різних гіпотетичних  поглядів. Одержані факти, що пояснюються й узгоджуються з іншими повідомленнями та теоріями, стають здобутком усього наукового світу і мають як суто наукове, так і прикладне значення, тобто праця науковців приносить користь людині. Встановлено, що на кожну умовну грошову одиницю, вкладену в розвиток науки, суспільство одержує великий  прибуток.

       Щодо біологічної хімії як науки про життя, то результати її досліджень переконують, що всі живі системи підпорядковуються фізичним та хімічним законам. Це означає, що такі риси живого організму, як рух, розмноження, обмін речовин та інші явища життя, значною мірою можна пояснити на основі понять хімії та фізичної хімії. Найбільш загальною рисою живого організму є його зв'язок із навколишнім середовищем, поза цим зв'язком життя не існує. Інакше кажучи, живі організми належать до відкритих термодинамічних систем і підпорядковуються основним їх законам. Організм одержує з навколишнього середовища потрібні йому речовини і, перетворюючи їх, використовує утворені компоненти для побудови тканин власного тіла. З продуктами харчування надходить енергія, що комульована в хімічних зв'язках і використовується для всіх потреб організму. Відпрацьовані (ентроповані) кінцеві продукти обміну виводяться через органи виділення. У процесі еволюції в живих системах виробились спеціальні біологічні каталізатори – ферменти, які здійснюють перетворення всіх хімічних речовин, що забезпечує життєдіяльність організму. Кількість ферментів та їх дія регулюються на генетичному рівні й зумовлюються практичними потребами організму. Кожна біохімічна реакція в процесі життєдіяльності перебуває під контролем певного гена. Зміна гена (мутація) супроводжується зміною або нестачею відповідного ферменту і випаданням певних метаболічних реакцій. Носієм генетичної інформації, як це встановила біохімія, є ДНК, в окремих ділянках якої записана за допомогою чотирьох різних нуклеотидів інформація про структуру ферментів та інших білків.

        Важлива роль у функціонуванні ферментів належить і вітамінам, які є коферментами або попередниками коферментів, тобто необхідними для роботи ферментів компонентами. З іншого боку, функція ферментів координується гормональною та нервовою системами.

Метою біохімії, в тому числі й медичної хімії, є вивчення хімічного складу, хімічної структури і властивостей складових компонентів тканин та органів, перетворення речовин і енергії в здоровому та хворому організмах.   Протягом останніх 20-30 років біохімія розкрила механізми дії ферментів, енергозабезпечення, генетичної спадковості та спадкових захворювань, що сприяло віднесенню її в ряд фундаментальних медико-біологічних наук. В.І. Вернадський, перший президент АН України, вважає, що біохімія – це наука про структуру і поведінку живої речовини. Під живою речовиною він розумів сукупність усіх живих організмів, здатних захоплювати з навколишнього середовища певні хімічні елементи і складні речовини, видозмінювати їх і виділяти кінцеві продукти перетворення в навколишнє середовище. Життя на планеті Земля сформувалось на базі вуглецевих сполук. Перші живі організми жили в безкисневій атмосфері. Киснева атмосфера на нашій планеті існує приблизно 1 млрд. років. У більшості живих організмів основою для побудови їх тіла є сполуки, що складаються з атомів вуглецю, азоту, кисню і водню, які, з'єднуючись між собою, утворюють ланцюги. На ці елементи припадає до 99 % атомів орга­нізму людини. Їх названо органогенними елементами. Наступна за вмістом група хімічних елементів називається олігобіогенними елементами (макроелементами). Їх вміст в організмі знаходиться в межах від 0,1 до 1 % маси тіла. Сюди відносять калій, натрій, кальцій, магній, фосфор, хлор, сірку. Третя група – мікробіогенні елементи (мікроелементи). На них припадає від 0,001 до 0,010 % маси тіла. Це такі елементи, як фтор, бром, йод, цинк, манган, кобальт, мідь, залізо, молібден та деякі інші. Четверту групу становлять ультрабіогенні елементи (ультрамікроелементи). Вміст їх знаходиться в межах 10^-4-10^-6 %. До них належать селен, титан, кадмій, нікель, хром тощо. Усього в організмі людини і тварин виявлено понад 70 елементів періодичної системи. Таким чином, живі організми у своєму складі містять більшість хімічних елементів.

        За набором елементів жива і нежива природа відрізняються мало, бо живі організми черпають свій будівельний матеріал із неживої природи (В.І. Вернадський). Ясна річ, що всі елементи в тілі живих організмів знаходяться у вигляді різних хімічних сполук. Винятком є тільки кисень, незначна частина якого може перебувати у вільному стані. Тоді чим жива природа відрізняється від неживої? На це запитання в різні періоди розвитку людства давали неоднакові відповіді. Тільки з виникненням біохімії стало можливим більш грунтовно підійти до нього.

       Встановлено, що всі живі організми, незалежно від ступеня складності й розвитку, є відкритими термодинамічними системами, що обмінюються з навколишнім середовищем енергією і речовинами. Призупинення цього обміну не сумісне з життям. Речовини, що потрапляють із навколишнього середовища, використовуються організмом як джерело енергії і будівельний матеріал для побудови власних компонентів. При цьому використовуються як неорганічні низькомолекулярні (О₂, СО₂, Н₂О), так і органічні високомолекулярні сполуки. Останні в проце­сі засвоєння ­спершу розкладаються до простих мономерів (амінокислоти, жирні кислоти, гліцерин, мононуклеотиди тощо), з яких синтезуються біополімери, специфічні для даного організму (власні білки, нуклеїнові кислоти, ліпіди тощо).

       Спрямованість хімічних перетворень речовин диктується практичними потребами організму і регулюється за допомогою ферментів і гормонів. Дія їх здійснюється на різних рівнях організації (молекулярному, надмолекулярному, клітинному, на рівні тканин, органів і систем).

        На утворення власних сполук організм затрачає енергію, яка надходить з продуктами харчування, видозмінюючи й адаптуючи її до форм, зручних для використання в хімічних перетвореннях.

       Енергетичні затрати підпорядковуються І і ІІ принципам термодинаміки. Але, на відміну від неживої природи, в організмі ніколи не настає термодинамічна рівновага, а тільки підтримується стаціонарний стан, тобто підтримуються сталими основні показники в тканинах (t°, рН, [С] іонів тощо). Здатність організму підтримувати на постійному рівні показники внутрішнього середовища Клод Бернар назвав гомеостазом. Організм безперервно підтримує свій гомеостаз при участі зовнішнього середовища за допомогою регуляторних систем. Таким чином, постійний обмін речовин, енергії та інформації лежить в основі всіх проявів життя. Всім живим організмам притаманна здатність самовідтворюватись, що завдяки генетичній пам'яті відбувається з високою точністю. Остання лежить в основі збереження видів і класів живих істот.

Біохімію можна розглядати як частину біології, але разом із тим вона є самостійною наукою, що відрізняється як від біології, так і від хімії. Виникла біохімія на межі ХІХ-ХХ ст. Термін "біохімія" був введений у науку в 1903 р. К. Нейбергом.

Поява нової науки, як і виникнення будь-якого явища в природі чи суспільстві, пов'язані з попереднім розвитком останніх. До появи біохімії вже існували такі науки, як хімія, фізика, органічна хімія. Останню вважали хімією природних сполук живого організму. Органічна хімія спочатку була розділом фізіології, тому її називали ще хімічною фізіологією. Але завдяки успіхам синтезу одержано багато речовин, яких немає в організмі, тому органічна хімія стала вивчати хімію вуглецевих сполук. В останні роки від органічної хімії відокремилась біоорганічна хімія, яка вивчає хімічну структуру, властивості та механізми утворення зв'язків у сполуках, що містяться в живих організмах.

Але основна роль у вивченні хімічних процесів в організмі належить біологічній хімії. Виникнення біологічної хімії як науки знаменує собою значний поступ вперед у вивченні живої природи. Він зумовлений тим, що в кінці ХІХ ст. завдяки розвитку техніки, фізики, фізіології, хімії було відкрито багато фізіологічних процесів, в основі яких лежать хімічні перетворення. Пояснити ці процеси могла тільки наука, що спиралась на закони хімії та методичні підходи, характерні для живих організмів. Ні загальна, ні органічна хімія зробити це своїми методами і підходами не змогли. Отже, біологічна хімія є стиковою (суміжною) наукою, яка зародилась від схрещення хімії і біології.

Біохімія тісно пов'язана з фізіологією, від якої вона відокремилась і стала самостійною наукою. Власне, ці дві науки доповнюють одна одну: фізіологія вивчає функції здорового організму, а біохімія, спираючись на свої специфічні методи, відкриває ті хімічні компоненти та процеси, що лежать в основі цих функцій, тобто фізіолог для пояснення тієї чи іншої функції на молекулярному рівні завжди звертається до біохімії. Можна вважати, що фізіологія – це "старша сестра" біохімії.

Значно молодшою від біохімії є біофізика (започаткована в 40-50 роках ХХ ст.), яка вивчає фізичні та фізико-хімічні прояви життя. Від біохімії відокремилась ще одна наука – молекулярна біологія, яка має пряме відношення до вивчення нуклеїнових кислот та передавання спадкової інформації.

Для медицини біохімія стала головною фундаментальною науковою дисципліною, що на молекулярному рівні пояснює всі біологічні процеси в нормі й при захворюваннях. Вона лежить в основі сучасної діагностики, встановлення прогнозу перебігу захворювання та лікування хворих. Завдяки біохімії було розкрито причини і механізми таких захворювань, як цукровий і нецукровий діабети, серповидноклітинна анемія, глікогенози, колагенози тощо (так званих молекулярних хвороб). Жоден клініцист у своїй практичній діяльності не обходиться без біохімічних обстежень хворих.

Студенту-медику біохімія не тільки допомагає зрозуміти молекулярні основи і механізми фізіологічних та патологічних процесів, але і сприяє формуванню клінічного мислення, виробленню наукового світогляду, демонструючи на конкретних прикладах, що в основі біологічних процесів здорового і хворого організмів лежать зміни молекулярних структур або хімічних чи енергетичних перетворень.

 

Історія розвитку біохімії

 

Як було сказано, біохімія як наука сформувалась на межі ХІХ-ХХ століття. Але історичні її корені губляться в сивій давнині. Термін "біохімія" має у своїй основі два грецькі слова: біос і хем. “Біос” означає життя, слово “хем” бере свій початок від назви провінції в гирлі Ніла, що біля Александрії в Єгипті. Тут на врожайних землях здавна оселювались люди і розвивали всі види діяльності, зокрема науку. У них було розвинуто виробництво хліба, вина, оцту, дублення шкіри, виготовлення барвників, тобто вони користувались біохімічними технологіями.

 Трипільці, які жили на території України 6 тисяч років тому, воло­ді­ли також мистецтвом виготовлення гончарного (керамічного) посуду, виробництва чавуну, будували двоповерхові міста, мали свою писемність.

 Араби, завоювавши в першому тисячолітті Єгипет, не знищили науки, що розвивались тут, а, навпаки, доповнили та видозмінили їх іншими напрямками. Саме завдяки арабському префіксу "ал" з'явились такі слова, як алхімія, алгебра, алгоритм тощо. Алхіміки прагнули перетворити прості метали на золото і срібло за допомогою фантастичного "філософського каменя". Вони також хотіли вікрити "життєвий еліксир", що нібито дає людям вічну молодість. Ідеї алхімії зародились у Китаї, Єгипті, Індії. Вони були дуже поширені в Західній Європі в ХІІ-ХV ст. Найвидатнішими алхіміками були Р. Бекон, Парацельс (ХVІ ст.), Йоган Фрідріх Гельвеціус (ХVІІ ст.). Алхіміки нагромадили великий експериментальний матеріал, відкрили ряд хімічних елементів, описали хімічні властивості та реакції, що перебігають із цими елементами, вони багато працювали з біологічними рідинами. Так, у 1600 р. один з алхіміків, досліджуючи сечу (кип'ятив її з метою одержання золота), помітив, що осад сечі в темряві світиться. Так було відкрито фосфор – елемент життя і мислення, який потрібний усім живим істотам. Його назва походить від двох грецьких слів: фос – світло, ферро - несу.

Алхімік і лікар Парацельс (ХVІ ст.) вперше заклав основи ятрохімії (медичної хімії). Назва науки походить від грецького слова “ятрос”, що означає лікар. Він вважав, що хімія повинна служити здоров'ю. Парацельс вперше почав лікувати мінеральними водами, запропонував компреси, препарати ртуті й сірки для лікування венеричних захворювань, які в середні віки були дуже поширеними.

Інший ятрохімік ХVІІ ст. Ван-Гельмонт вперше висунув думку, що в "соках" живого тіла є особливі речовини – "ферменти", які беруть участь у різних хімічних перетвореннях.

У Київській Русі внучка Володимира Мономаха Євпраксія Мстиславівна (1108-1172) випустила трактат "Мазі" – своєрідну енциклопедію лікарських знань про хімічні речовини, лікарські трави та процедури для лікування хворих.

Значний поступ у розвитку природничих наук, зокрема біохімії, спостерігали в ХVІІІ ст. Цьому сприяли такі дослідники. Прістлі (1770-1774) відкрив кисень, довів, що він поглинається тваринами і виділяється рослина­ми; Шеелє (1770-1786) вивчав хімічний склад рослинних і тваринних тканин, виділив молочну, винну, яблучну, лимонну і сечову кислоти, гліцерин і білок казеїн; Інген Гуз (1779-1796) довів, що для виділення кисню зеленими рослинами необхідне світло (початок вивчення фотосинтезу); Лавуазьє (1780-1789) довів, що тваринам необхідний кисень і що дихання – це окиснення, відкрив І-ий принцип термодинаміки та вперше виміряв поглинання кисню в організмі людини; Спаланцані (1783) показав, що травлення їжі в шлунку являє собою хімічний процес; Лібіх (1830-1890) опрацював методи кількісного хімічного аналізу і застосував їх для дослідження біологічних об'єктів; К. Бернар (1850-1855), виділивши з печінки глікоген, довів, що він є джерелом глюкози в організмі, яка переноситься кров'ю.

Завдяки праці цих та інших дослідників у кінці ХІХ ст. біохімія виділилась як окрема наука. У той час було зареєстровано приблизно 100 тис. різних природних і синтетичних органічних речовин, одержано дані про перетворення органічних речовин під час асиміляції і дисиміляції.

У 1828 р. Веллєр синтезував сечовину, нанісши цим самим значний удар по панівному на той час напрямку в науці, який називали віталізмом.

Берцеліус (1779-1848) запропонував учення про каталіз і пояснив природу процесів бродіння. Наш співвітчизник, виходець із Харківщини, О.Я. Данилевський (1838-1928), досліджуючи будову білків, сформулював положення про їх структуру.

 

 Ще один український учений – академік І.Я. Горбачевський (1872-1889) – вперше виділив амінокислоти з білків і висунув думку про те, що вони є будівельним матеріалом для останніх.

 

Він же вперше синтезував сечову кислоту й розробив теорію синтезу її в організмі, відкрив фермент ксантиноксидазу.

 

Російський учений І.М. Сеченов вивчав фізіологію і біохімію дихання. І.П. Павлов досліджував склад травних соків і процеси ферментативного травлення їжі в шлунку і кишечнику.

У ХІХ ст. було започатковано головні напрямки розвитку біохімії, відкрито основні класи сполук, які є в живому організмі (білки, жири, вуглеводи, мінеральні речовини), розвивається вчення про вітаміни, ферменти, гормони. Але найбільшого розвитку біохімія зазнала в ХХ ст., коли вчені відкрили ряд речовин, біохімічних процесів та механізми їх регуляції. Зокрема, було запропоновано теорію будови білків, розроблено методи синтезу пептидів (Е. Фішер), одержано білок у кристалічному стані (Самнер і Нортроп), вивчено основні шляхи перетворення в організмі білків, вуглеводів, ліпідів, окиснення і синтезу жирних кислот та інших ліпідів (Кнооп, Лінен, Ліпман, Ленінджер). У цей час опрацьовуються схеми шляхів перетворення вуглеводів і утворення при цьому носія енергії – АТФ (Ембден, Мейєргоф, Парнас, Кребс, Варбург), розвиваються нові напрямки в біохімії: біоенергетика, мембранологія, біохімічна детоксикологія, молекулярна біологія, медична і клінічна біохімія. Розвитку біохімії у ХХ ст. сприяли такі найбільш відомі вчіні та їх дослідження: Е.Фішер за­пропонував теорію будови білків, Кноoп – теорію β-окиснення жирних кислот, Варбург – теорію біологічного окиснення, відкрив дихальний фермент цитохромоксидазу; Сведберг сконструював ультрацентрифугу і запропонував застосовувати її для седиментації білків; Сент-Дьорді виділив аскорбінову кислоту; Кребс відкрив цикли сечовини та трикарбонових кислот; Ембден, Мейєргоф, Парнас виявили найбільш важливі проміжні продукти процесів гліколізу та бродіння; Парнас, Корі дослідили шляхи дії глікогенфосфорилази; В. Енгельгардт і М. Любімова відкрили АТФазну активність міозину; Чаргафф (народився в м.Чернівці) виявив, що в ДНК рівна сума пуринових і піримідинових основ; Уотсон і Крік запропонували модель подвійної спіралі ДНК; В. Беліцер вперше вивчив окисне фосфорилювання; Ніренберг і Маттеї відкрили генетичний код; Корнберг вперше здійснив синтез ДНК вірусу; Х. Корана синтезував штучний ген.

На сьогоднішній день діють кафедри біохімії при університетах, медичних, педагогічних і сільськогосподарських академіях та інститутах, у біохімічних лабораторіях та спеціалізованих закладах, де опрацьовують сучасні біотехнології. Видаються біохімічні журнали, працюють біохімічні товариства та об'єднання, зокрема Міжнародна біохімічна асоціація, Європейське біохімічне об'єднання, які керують розвитком біохімії в країнах, організовують конференції, конгреси тощо.

 Об'єктом біохімії стало широке коло питань, що стосуються різних проявів життя. Тому розрізняють біохімію людини, тварин, рослин, вірусів, мікроорганізмів, технічну, радіаційну тощо. У сучасній біохімії виділяють три розділи (етапи), які часто слідують не послідовно один за одним, а паралельно:

1. Статична біохімія.

2. Динамічна біохімія.

3. Функціональна біохімія.

Статична біохімія вивчає склад і хімічну структуру тканин та органів. Це найнижчий ступінь пізнання живого на молекулярному рівні. Перетворення в організмі речовин, виявлених методом статичної біохімії, досліджує динамічна біохімія. Функціональна біохімія на підставі даних статичної і динамічної біохімій вивчає зв'язки хімічних перетворень в органах і тканинах з їх фізіологічними функціями. На ранніх стадіях розвитку біохімії вивчали тільки хімічний склад тканин і органів. Перетворення речовин та зміни їх залежно від функцій організму (сон, травлення, м'язове скорочення, збудження тощо) досліджували на наступних етапах.

Протягом останніх років інтенсивно вивчають зміни біохімічних компонентів і процесів за умов різних патологічних станів та розробляють способи ліквідації цих порушень за допомогою різних чинників. Ці питання розробляє біохімія людини.

У кінці ХХ ст. перед біохімією, в тому числі перед медициною, стоїть ряд завдань, що мають як пізнавально-наукове, так і практичне значення. Серед них можна виділити такі:

 

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА БІЛКІВ

Білки — це особливий клас речовин, що зустрічається в усіх живих організмах. Без білків життя не існує. Учення про білки сформувалося у XVIII-XIX ст. Назва пов'язана з тим, що саме у XVIII ст. в живих організмах було відкрито речовини, які мають деяку подібність до білка курячого яйця. Зокрема, всі вони утворюють в'язкі клейкі розчини, коагулюються при нагріванні, а під час горіння дають запах спаленої шерсті. Зараз у всьому світі білки називають протеїнами (від грецьк. слова protos — перший, важливіший). Цим терміном підкреслюється надзвичайно важлива роль білків у життєдіяльності організмів. Виходячи із структури, білками називаються високомолекулярні азотовмісні органічні речовини, побудовані з амінокислот, що з'єднані між собою пептидними зв'язками і мають складну структурну організацію. Іншими словами, білки — це високомолекулярні полімери, мономерами яких є амінокислоти.

Назва "протеши" вперше була введена в науку в 1838 році голландсь­ким хіміком і лікарем Г.Я. Мульдером. Він же запропонував і першу теорію будови білків, згідно з якою всі білки побудовані з радикалів такого складу: C₄₀H₆₂N₁₀O₂. Вона не витримала перевірки практикою, але стала стимулом для нових досліджень, спрямованих на розробку вчення про білки. Більш досконалою була гіпотеза будови білка, запропонована українським біохіміком із Харкова О.Я. Данилевським (1888 p.), так звана "теорія елементарних рядів". За О.Я. Данилевським, у білках існують зв'язки -HN-CO-, як у біуреті. Разом із тим, інший знаменитий український біохімік із Тернопільщини І.Я. Горбачевський виділив усі амінокислоти і висунув думку, що вони є цеглинками, з яких побудовані білки. Сучасна теорія будови білків була висунута в 1902 році німецькими науковцями Фішером і Гофмейстером. Фішер вперше синтезував у лабораторних умовах пептиди.

 

мал. Будова білка в 3D вимірі

 

Розмаїтість білків у природі вражаюча. Так, за сучасними даними, в клітині кишкової палички міститься приблизно 3000 різних білків, а в організмі людини — більше 50000. Якщо виходити з 20 основних амінокислот, то кількість можливих білків, що містять лише 50 амінокислотних залишків, повинна складати 20 • 1050. Але реально в природі існує значно менше білків, бо порядок чергування амінокислот і їх послідовність у молекулі білка визначаються не законами математики, а закодовані у ДНК живого організму.

Так чи інакше, білки надзвичайно поширені в живій природі та є основою будови організму. Вони становлять у середньому 18-20 % загальної маси тіла людини і близько 50 % його сухої маси.

Функції білків

Білки виконують в організмі цілий ряд функцій.

 

Каталітична функція

Найбільш добре відома роль білків в організмі - каталіз різних хімічних реакцій. Ферменти - група білків, що володіє специфічними каталітичними властивостями, тобто кожен фермент каталізує одну або декількасхожих реакцій. Ферменти каталізують реакції розщеплювання складних молекул (катаболізм) та їх синтезу (анаболізм), а також реплікації і репарації ДНК і матричного синтезу РНК. Відомо кілька тисяч ферментів, серед них такі, як, наприклад пепсин, розщеплюють білки впроцесі травлення. У процес посттрансляційної модифікації деякі ферменти додають або видаляють хімічні групи на інших білках. Відомо близько 4000 реакцій, що каталізуються білками. Прискорення реакції в результаті ферментативного каталізу іноді величезна:наприклад, реакція, що каталізується ферментом оротат-карбоксілази протікає в 1017 швидше некаталізіруемой (78000000 років без ферменту, 18 мілісекунд за участю ферменту).

Молекули, які приєднуються до ферменту і змінюються в результаті реакції,називаються субстратами. Хоча ферменти зазвичай складаються з сотень амінокислот, тільки невелика частина з них взаємодіє з субстратом, і ще менша кількість - в середньому 3-4 амінокислоти, часто розташовані далеко один від одного в первинної амінокислотноїпослідовності - безпосередньо беруть участь в каталізі. Частина ферменту, яка приєднує субстрат і містить каталітичні амінокислоти, називається активним центром ферменту.

Структурна функція

Структурні білки цитоскелета, як свого роду арматура, надають форму клітин і багатьом органоидам і беруть участь у зміні форми клітин. Більшість структурних білків є филаментозноми білками: наприклад, мономери актину і тубуліну - це глобулярні, розчинні білки, але після полімеризації вони формують довгі нитки, з яких складається цитоскелет, що дозволяє клітині підтримувати форму. Колаген і еластин - основні компоненти міжклітинної речовини сполучної тканини (наприклад, хряща), а з іншого структурного білка кератину складаютьсяволосся, нігті, пір'я птахів і деякі раковини. Дуже велика кількість білків (більше 15 г): сир голландський і плавлений, сир нежирний, м'ясо тварин і курей I і II категорій, більшість риб, соя, горох, квасоля, горіхи фундук і волоські.

Великий вміст білків(10-15 г): сир жирний, свинина м'ясна і жирна, ковбаси варені, сосиски, яйця, крупи манна, гречана, вівсяна, пшоно, борошно пшеничне, макарони. Помірне вміст білків (5-99 г): хліб житній і пшеничний, крупа перлова, рис, горошок зелений. Мале вміст білків (2-49 г):молоко, кефір, вершки, сметана, морозиво вершкове, шпинат, капуста цвітна, картопля. Дуже малий вміст білків (04-19 г): масло вершкове, майже всі овочі, фрукти, ягоди та гриби. Рослинні білки менш повноцінні (недостатньо збалансований амінокислотний склад) і важко перетравлюються.

Захисна функція

Існують декілька видів захисних функцій білків:

1.     Фізичний захист. У ній бере участь колаген - білок, який утворює основу міжклітинної речовини сполучнихтканин (у тому числі кісток, хряща, сухожиль і глибоких шарів шкіри) дерми); кератин, що становить основу рогових щитків, волосся, пір'я, рогів та ін похідних епідермісу. Зазвичай такі білки розглядають як білки зі структурною функцією. Прикладами цієї групи білків служать фібриноген і тромбін, що беруть участь у процесахзгортання крові.

2.     Хімічний захист. Зв'язування токсинів білковими молекулами може забезпечувати їх детоксикацію. Особливо важливу роль в детоксикації у людини відіграють ферменти печінки, що розщеплюють отрути абопереводять їх у розчинну форму, що сприяє їх швидкому виведенню з організму.

 

3.     Імунний захист. Білки, що входять до складу крові та інших біологічних рідин, беруть участь в захисному відповіді організму як на пошкодження, так і на атаку патогенів.Білки системи комплементу і антитіла (імуноглобуліни) відносяться до білків другої групи, вони нейтралізують бактерії, віруси або чужорідні білки. Антитіла, що входять до складу адаптатівной імунної системи, приєднуються до чужорідних для даного організму речовин,антигенів, і тим самим нейтралізують їх, спрямовуючи до місць знищення.

Антитіла можуть секретироваться в міжклітинний простір або закріплюватися в мембранах спеціалізованих В-лімфоцитів, які називаються плазмоцитами. У той час як ферменти маютьобмежене спорідненість до субстрату, оскільки занадто сильне приєднання до субстрату може заважати протіканню катализируемой реакції, стійкість приєднання антитіл до антигену нічим не обмежена.

Регуляторна функція

Багато процесів всередині клітин регулюються білковими молекулами, які не служать ні джерелом енергії, ні будівельним матеріалом для клітини. Ці білки регулюють транскрипцію, трансляцію, сплайсинг, а також активність інших білків. Регуляторну функцію білки здійснюють або за рахунок ферментативної активності (наприклад, протеїнкінази), або за рахунок специфічного зв'язування з іншими молекулами, як правило, впливає на взаємодію з цими молекулами ферментів. Так, транскрипція генів визначаєтьсяприєднанням факторів транскрипції - білків-активаторів і білків-репрессоров до регуляторних послідовностей генів. На рівні трансляції зчитування багатьох мРНК також регулюється приєднанням білкових чинників, а деградація РНК і білків також проводитьсяспеціалізованими білковими комплексами. Найважливішу роль в регуляції внутрішньоклітинних процесів грають протеїнкінази - ферменти, які активують або пригнічують активність інших білків шляхом приєднання до них фосфатних груп.

Сигнальнафункція

 

Сигнальна функція білків - здатність білків служити сигнальними речовинами, передаючи сигнали між тканинами, клітинами або організмами. Часто сигнальну функцію об'єднують з регуляторної, так як багато внутрішньоклітинні регуляторні білкитеж здійснюють передачу сигналів. Сигнальну функцію виконують білки-гормони, цитокіни, фактори росту та ін Гормони переносяться кров'ю. Більшість гормонів тварин - це білки або пептиди.

Зв'язування гормону з рецептором є сигналом, що запускаєв клітці відповідну реакцію. Гормони регулюють концентрації речовин в крові і клітинах, зростання, розмноження та інші процеси. Прикладом таких білків служить інсулін, який регулює концентрацію глюкози в крові Клітини взаємодіють один з одним за допомогою сигнальнихбілків, які передаються через міжклітинний речовина. До таких білків належать, наприклад, цитокіни та фактори росту. Цитокіни - невеликі пептидні інформаційні молекули. Вони регулюють взаємодії між клітинами, визначають їх виживання, стимулюють або пригнічуютьзростання, диференціювання, функціональну активність і апоптоз, забезпечують узгодженість дій імунної, ендокринної та нервової систем. Прикладом цитокінів може служити фактор некрозу пухлин, який передає сигнали запалення між клітинами організму.

Транспортна функція

Розчинні білки, що беруть участь в транспорті малих молекул, повинні мати високу спорідненість (афінність) до субстрату, коли він присутній у високій концентрації, і легко його вивільняти в місцях низької концентраціїсубстрату. Прикладом транспортних білків можна назвати гемоглобін, який переносить кисень з легень до решти тканин і вуглекислий газ від тканин до легень, а також гомологічні йому білки, знайдені у всіх царствах живих організмів. Деякі мембранні білкиберуть участь в транспорті малих молекул через мембрану клітини, змінюючи її проникність. Ліпідний компонент мембрани водонепроникний (гідрофобний), що запобігає дифузію полярних або заряджених (іони) молекул.

Мембранні транспортні білки прийнятоподіляти на білки-канали і білки-переносники. Білки-канали містять внутрішні, заповнені водою пори, які дозволяють іонів (через іонні канали) або молекулам води (через білки-аквапоринів) переміщатися через мембрану. Багато іонні канали спеціалізуються натранспорті тільки одного іона; так, калієві і натрієві канали часто розрізняють ці подібні іони і пропускають тільки один з них. Білки-переносники зв'язують, подібно ферментам, кожну стерпну молекулу або іон і, на відміну від каналів, можуть здійснювати активнийтранспорт з використанням енергії АТФ. Електростанція клітини - АТФ-синтаза, яка здійснює синтез АТФ за рахунок протонного градієнта, також може бути віднесена до мембранним транспортним білкам.

Запасна (резервна) функція білків

До таких білків належать так звані резервні білки, які запасаються в якості джерела енергії і речовини в насінні рослин і яйцеклітинах тварин; білки третинних оболонок яйця (овальбуміни) і основний білок молока (казеїн) також виконують, головним чином, живильну функцію. Ряд інших білків використовується в організмі як джерело амінокислот, які в свою чергу є попередниками біологічно активних речовин, що регулюють процеси метаболізму.

Рецепторна функція

Білкові рецептори можуть як знаходитися в цитоплазмі, так і вбудовуватися в клітинну мембрану. Одна частина молекули рецептора сприймає сигнал, яким найчастіше служить хімічна речовина, а в деяких випадках - світло, механічний вплив (наприклад, розтягнення) та інші стимули. При впливі сигналу на певну ділянку молекули білок-рецептор відбуваються її конформаційні зміни. В результаті змінюється конформація іншій частині молекули, що здійснює передачу сигналу на інші клітинні компоненти. Існує кілька механізмів передачі сигналу. Деякі рецептори каталізують певну хімічну реакцію, інші служать іонними каналами, які при дії сигналу відкриваються або закриваються, треті специфічно пов'язують внутрішньоклітинні молекули-посередники. У мембранних рецепторів частина молекули, що зв'язуються з сигнальної молекулою, знаходиться на поверхні клітини, а домен, що передає сигнал, всередині.

Моторна (рухова) функція

Цілий клас моторних білків забезпечує руху організму (наприклад, скорочення м'язів, у тому числі локомоції (міозин), переміщення клітин всередині організму (наприклад, амебоідное рух лейкоцитів), рух війок і джгутиків, а також активний і спрямований внутрішньоклітинний транспорт (кінезін, дінеін) . Дінеіни і кінезіни проводять транспортування молекул уздовж мікротрубочок з використанням гідролізу АТФ як джерело енергії.Дінеіни переносять молекули та органели з периферичних частин клітини у напрямку до центросоми, кінезіни в протилежному напрямку. Дінеіни також відповідають за рух війок і джгутиків еукаріотів.

 

 

Вміст білків в органах і тканинах

В організмі людей і тварин вміст білка значно вищий, ніж у рослин. У м'язах, легенях, селезінці, нирках на білки припадає більше 70-80 % сухої маси; в печінці — 57 %, у мозку — 45 %. Найнижчий вміст білка в кістці і у зубах — 20 і 18 %. Неоднаковий вміст білка і у різних субклітинних органелах. Найбільше білка в гіалоплазмі (внутрішньоклітинний сік). Якщо прийняти загальний білок клітини за 100 %, то на гіалоплазму припадає 40 %. Мітохондрії та мікросоми містять по 20 %, ядро — 12 %, лізосоми — 2 %, пероксисоми — 2,5 %, плазматична мембрана — 1,5 % білка.

 

Амінокислотний склад білків

Мономерами білків, як було сказано вище, є амінокислоти. Спільною ознакою для всіх амінокислот є наявність карбоксильної та амінної груп.

У білках знаходяться 20 різновидів амінокислот. Серед них зустрічається і пролін, який, власне, є не аміно-, а імінокислотою. Деякі білки містять гідроксипролін та гідроксилізин. Але ці амінокислоти утворюються із звичайних після включення їх у склад білкової молекули.

Як правило, природні амінокислоти мають L-конфігурацію, але в клітинах мікроорганізмів зустрічаються і D-амінокислоти.

Усього у світі їх відкрито понад 200. В організмі людини міститься близько 60 амінокислот і їх похідних, але у склад білків входять лише 20. Решта або знаходяться у клітині у вільному вигляді (як проміжні продукти обміну), або входять до складу інших небілкових сполук.

Амінокислоти

До складу білків входять a-амінокислоти, тобто такі, в яких аміногрупа розташована біля другого атома С. Між аміно- і карбоксильною групами знаходиться тільки один a-С атом. В процесах обміну речовин утворюються і інші види амінокислот. Наприклад, g-аміномасляна кислота (ГАМК) - є медіатором центральної нервової системи.

Відомо 20 a-амінокислот, які генетично кодуються, і декілька їх похідних, що утворюються шляхом ферментативної модифікації. Загальну формулу a-амінокислоти можна зобразити так:

                                                

де R- вуглеводневий радикал. Радикал може бути аліфатичний або циклічний, містити різні функціональні групи. Одна із двадцяти a-амінокислот (пролін) є не аміно-, а імінокислотою, тому що її атом азоту входить до складу циклу. Амінокислоти можна класифікувати за різними ознаками. Для вивчення білків зручний поділ за полярністю радикалів на неполярні, полярні незаряджені та полярні заряджені (позитивно або негативно). Подані тривіальні назви амінокислот є найбільш вживаними. В схемах амінокислоти та їх залишки позначаються скорочено першими трьома буквами назви.

 

http://www.youtube.com/watch?v=tfwdqvqW6n4&feature=related

 

Класифікація амінокислот за полярністю радикалу*

Неполярний радикал

Аланін (Aла, Ala, A)    Валін (Вал, Val, V)   Ізолейцин (Ілей, Ile, I)

Лейцин (Лей, Leu, L)   Метіонін (Мет, Met, M)  Пролін (Про, Pro, P)

Фенілаланін (Фен, Phe, P)     Триптофан (Три, Trp, W)

Полярний незаряджений радикал

Гліцин (Глі, Gly, G)  Серин (Сер, Ser, S)     Цистеїн (Цис, Cys, C)

Треонін                      Аспарагін              Глутамін                Тирозин

(Тре, Thr, T)                 (Асн, Asn, N)         (Глн, Gln, Q)        (Тир, Tyr, Y)

Полярний заряджений радикал

Аспарагінова кислота (Aсп, Asp, D) Глутамінова кислота (Глу, Glu, E)

Лізин (Ліз, Lys, K)    Аргінін (Арг, Arg, R)   Гістидин (Гіс, His, H)

* - в дужках подаються скорочені українська і англійська назви і міжнародний символ

Кожна амінокислота, крім гліцину, містить один чи більше асиметричних атомів карбону, тобто проявляє оптичну активність. За абсолютною конфігурацією амінокислоти в організмах належать до L-ряду. Лише у складі пептидів деяких мікроорганізмів зустрічаються D-амінокислоти, наприклад в токсині бутулізму.

Амінокислоти - слабкі електроліти. Вони містять групи як кислотного, так і основного характеру, тобто є біполярними йонами. Їх заряд залежить від кількості цих груп і рН середовища:

рН<7                                  рН»7                                  рН>7

 

Сумарнй заряд певної амінокислоти при певному значенні рН обчислюють за константами дисоціації (рК) всіх її функціональних груп. Значення рН, при якому сумарний заряд амінокислоти рівний 0, називається її ізоелектричною точкою (рІ). Для 0,1 М розчинів аланіну рІ становить 6,02, для глутамінової кислоти - 3,22; лізину - 9,74.

Кислотно-основні властивості амінокислот  зумовлюють їх буферну здатність при рН близькому до рК їх функціональних груп. У складі білків з усіх амінокислот найбільше значення мають буферні властивості гістидину, оскільки лише його радикал має значення рК близьке до рН міжклітинної рідини та крові (≈7,4). Білок еритроцитів гемоглобін має великий вміст гістидину, що дуже важливо для його функції.

Амінокислоти проявляють спільні хімічні властивості, пов’язані з наявністю карбоксильної та аміногруп, а також індивідуальні, зумовлені функціональними групами радикалу. Останні використовуються для ідентифікації окремих амінокислот. Наприклад, взаємодія з азотною кислотою, характерна для похідних бензолу, використовується для визначення фенілаланіну (ксантопротеїнова реакція), а взаємодія сульфідів з йонами свинцю - для визначення цистеїну (реакція Фоля).

Для a-аміногрупи амінокислот характерна чутлива реакція з нінгідриновим реактивом: При нагріванні a-амінокислот з надлишком нінгідринового реактиву утворюється розчинний продукт лілового кольору. Імінокислота пролін дає з нінгідрином продукт жовтого кольору.

Індивідуальні амінокислоти визначають за продуктами взаємодії їх a-аміногруп із 2,4-динітрофторбензолом (ДНФБ, реактивом Сенгера) у слаболужному середовищі. Утворені ДНФ-похідні ідентифікують хроматографічно.

 

КЛАСИФІКАЦІЯ  І ВЛАСТИВСТІ АМІНОКИСЛОТ

 

 

Пептидний зв'язок. Пептиди

Амінокислоти здатні до конденсації при взаємодії карбоксильної групи однієї амінокислоти та аміногрупи - іншої:

Утворена сполука називається пептидом, а зв'язок - пептидним. При сполученні двох амінокислот утворюється дипептид, трьох - трипептид, а багатьох - поліпептид. Пептидний зв'язок міцний, він піддається гідролізу тільки при тривалому кип'ятінні в кислому або лужному середовищі. В пептиді виділяють N-кінець, на якому знаходиться вільна аміногрупа, та С-кінець, на якому міститься незаміщена карбоксильна група. Називаючи пептид, назвам всіх амінокислот, крім С-кінцевої, дають суфікс -ил або -іл, а назву останньої не змінюють, наприклад, гліцил-аланін, серил-тирозил-аргінін.

Пептидний зв'язок має специфічну просторову форму. Неподілена пара електронів азоту взаємодіє з p-електронами карбонільної групи, утворюючи делокалізовану систему електронів, розподілену між атомами О, С і N. Тому зв'язок С-О слабший, ніж подвійний, а зв'язок С-N міцніший, ніж одинарний. Навколо зв'язку С-N неможливе вільне обертання груп, оскільки він не одинарний. В одній площині знаходяться атоми С, N, О, Н і a-вуглецеві атоми. Причому атоми О і N знаходяться в транс-положенні. Вільно обертатися можуть лише радикали навколо a-вуглецевих атомів. Така будова пептидного зв’язку обмежує можливості просторових конформацій пептидів.

Наявність пептидного зв'язку визначають біуретовою реакцією, характерною для амідів, зокрема, для біурету. Першим біуретову реакцію пептидів вивчав О. Я. Данилевський. Суть її полягає у взаємодії пептидноі групи з йонами міді (II) в лужному середовищі з утворенням розчинного комплексу фіолетового кольору. Ця реакція дуже чутлива і використовується як для якісного, так і для кількісного визначення пептидів.

Відомо багато пептидів, які виконують важливі біологічні функції. Наприклад, глутатіон (g-глутаміл-цистеїніл-гліцин, g-глу-цис-глі, GSH). Цей пептид, на відміну від білків, містить g-амінокислотний залишок. Він викликає величезний інтерес біологів і медиків, оскільки є найбільш поширеною низькомолекулярною речовиною в клітині, виконує біля ста функцій в життєдіяльності майже всіх істот. Він бере участь в захисті клітин від токсичних хімічних речовин, продуктів радіоактивного розпаду, впливає на активність багатьох ферментів і стан субклітинних структур. Переважно його дія пов'язана із взаємоперетворенням двох форм - окисненої і відновленої:

2GSH ®GSSG + 2H

Останні десятиліття інтенсивно вивчаються нейроолігопептиди (НОП) - невеликі пептиди (5-9 амінокислотних залишків), які виробляються в головному мозку і регулюють психічну діяльність (викликають страх, роздратування, біль, виділяються під час сну). Наприклад, мет-енкефалін (тир-глі-глі-фен-мет) виникає в нервовій тканині і послаблює больові відчуття, зв’язується з тими ж рецепторами, що і антибіотик морфін, і діє більш ефективно.

Пептидом є антибіотик граміцидин, який змінює проникність біологічних мембран для низькомолекулярних речовин.

Структура білків

За хімічною будовою білки є поліпептидами. Внаслідок взаємодії функціональних груп поліпептиду між собою і з оточуючим середовищем він набуває специфічної просторової форми. Тільки в цій формі він є біологічно активним. Для спрощення опису просторової форми білкових молекул користуються поняттям про рівні структурної організації (Ліндерстрем-Ланг).

 

 

 

 

 

Первинна структура

http://www.youtube.com/watch?v=lijQ3a8yUYQ

 

 

Первинна структура білків - це порядок розташування амінокислотних залишків в нерозгалуженому поліпептидному ланцюгу:

В ланцюгу білка чергуються пептидні групи і a-вуглецеві атоми. Амінокислотні радикали не беруть участі в утворенні зв’язків на цьому рівні. Однак порядок їх розташування має вирішальне значення для просторової форми молекули. Дипептид, який складається з двох різних амінокислот (А і Б), може мати дві різні послідовності "АБ" і "БА". Для трьох амінокислот число варіантів складає 6. Із 20 різних амінокислот можна побудувати 10¹³⁰ різних послідовностей по 100 залишків в кожній. Уявимо, що хоч по одній із таких молекул є в природі. Скручені в компактні клубочки, вони зайняли б 10²⁷ (тисяча квадрильйонів) об'ємів Всесвіту. Зрозуміло, що лише мала частка можливих комбінацій послідовностей використовується природою.

Розшифровка амінокислотної послідовності стала дуже важливим етапом у вивченні білків. Першим дослідженим білком став інсулін - гормон підшлункової залози (Ф. Сенгер, 1945 – 1954 р.р.). Як показав Сенгер, молекула бичачого інсуліну, складається з двох ланцюгів: А (21 амінокислотний залишок) і В (30 амінокислотних залишків), з’єднаних між собою дисульфідними містками між залишками цистеїну. Ще один такий місток утворюється всередині ланцюга А:

Методичні основи аналізу первинної структури, розроблені Ф. Сенгером, полягають в дії на чистий білок різних факторів (кислот, ферментів), які специфічно гідролізують лише певні пептидні зв'язки. В кожному випадку одержується декілька пептидів, для яких визначити склад і послідовність амінокислотних залишків легше, ніж для великої молекули. Співставлення послідовностей коротких фрагментів дозволяє виявити місця перекривання. N-кінцеві залишки амінокислот визначаються за допомогою динітрофторбензолу.

Фактори, які викликають специфічний гідроліз пептидних зв’язків

 

Пояснимо цей підхід на простому прикладі. Нехай при гідролізі пентапептиду невідомої будови трипсином (а) і хімотрипсином (б) одержали два різних набори фрагментів: а) H₂N-лей-фен-глі-СООН і H₂N-ала-ліз-СООН; б) H₂N ала-ліз-лей-фен-СООН і глі. Як видно, спільною послідовністю є -лей-фен-. Вона не може бути N кінцевою, так як розташовується в кінці пептиду (б). Зіставимо результати двох дослідів:

H₂N-ала-ліз-СООН + H₂N-лей-фен-глі-СООН

H₂N ала-ліз-лей-фен-СООН + глі

Отже, структура пентапептиду така: H2N ала-ліз-лей-фен-глі-СООН.

Зараз первинна структура білків визначається з використанням автоматичного приладу - секвенатора, в якому від поліпептидного ланцюга послідовно відщеплюються N-кінцеві амінокислоти та ідентифікуються. Для цього визначення не можна використовувати реактив Сенгера, так як при його дії гідролізується весь ланцюг. Тому застосовують фенілізотіоціанат (реактив Едмана), який, на відміну від реактиву Сенгера, дозволяє відщеплювати послідовно кожну кінцеву амінокислоту у вигляді фенілтіогідантоїнового похідного, не руйнуючи всього ланцюга, і визначати її хроматографічно.

На наш час з’ясована первинна структура більше двох тисяч природних білків. При порівнянні первинних структур гомологічних білків, тобто тих, які виконують однакові функції у різних видів організмів, виявилось, що вони подібні за величною і в багатьох положеннях містять однакові (інваріантні) залишки амінокислот. Поряд з цим, інші залишки (варіабельні) можуть істотно відрізнятись у різних видів. Це свідчить про вирішальну роль інваріантних ділянок для просторової структури і біологічної функції білків-гомологів. Крім того, виявилось, що ступінь відмінності в первинній структурі гомологічних білків пропорційний ступеню філогенетичної відмінності між видами. Таким чином, порівняння первинної структури гомологічних білків можна використовувати для побудови еволюційного дерева, яке відображає послідовність появи і розвитку організмів.

Вторинна структура

 

 

 

 

http://www.youtube.com/watch?v=lvw335PrkXo

 http://www.youtube.com/watch?v=Y24qTh4uUHU

http://www.youtube.com/watch?v=K5TdgMA4-dY&feature=related

 

Вивчення просторової структури білків стало можливим завдяки рентгеноструктурному аналізу. Оскільки білки кристалізуються, їх підготовка до цього аналізу є значно простішою, ніж для нуклеїнових кислот.

 

На рентгенограмах кристалів білків спостерігаються спіралізовані ділянки. Утворення їх можливе завдяки водневим зв'язкам, які виникають між пептидними групами: При транс-розташуванні атомів гідрогену і оксигену в пептидній групі кожна така група може утворювати по два водневих зв’язки:

Вторинна структура білка - це регулярна укладка поліпептидного ланцюга, стабілізована водневими зв'язками між пептидними групами. Щільність упаковки цієї структури така ж, як і у кристалів. Тому білки називають аперіодичними кристалами. Для різних білків ступінь і характер спіралізації відрізняються. Л.Поллінг і Р.Корі. на підставі власних даних про будову пептидного зв’язку запропонували у 1951 році дві структурні моделі, які одержали підтвердження в просторово-структурних дослідженнях: модель a-спіралі і b-структури (паралельних і антипаралельних складчастих шарів). В різних білках було показано існування одного з цих типів вторинної структури, або їх поєднання.

a-спіраль можна уявити як ланцюг, закручений навколо уявного циліндра. В білках виявлено правозакручену спіраль. Водневі з’язки утворюються між пептидними групами через три залишки, причому кожна пептидна група утворює по два водневих зв’язки (за рахунок і оксигену, і гідрогену). Таким чином a-спіраль вся пронизана водневими зв’язками. Висота одного витка спіралі - 0,54 нм і на нього припадає З,б амінокислотних залишки. В b-структурі водневі зв’язки утворюються між різними ланцюгами (паралельний складчастий шар), або різними ділянками одного ланцюга (антипаралельний складчастий шар.

Величина радикалів, їх полярність і порядок розташування визначають особливості спіралізації. Спіралізація порушується в місцях поєднання однойменно заряджених або просторово громіздких радикалів. Так, a-спіраль стабілізують ала, вал, лей, фен, три, мет, гіс, глн і дестабілізують глі, глу, асп, іле, тир, ліз, арг, тре, асн, сер.

Наявність проліну завжди веде до переривання спіралі (точка згину), так як його залишок не містить при атомі нітрогену гідрогену, здатного утворювати водневий зв’язок. Для білка сполучної тканини колагену , в первинній структурі якого майже кожний третій залишок є проліном, характерний особливий тип вторинної структури (колагенова спіраль).

b-структуру утворюють поліпептиди, до складу яких входять, як правило, неполярні амінокислоти з невеликими радикалами. Вони не заважають утворенню шарової структури. В місцях розташування залишку гліцину, який не має радикалу, ланцюг може змінювати напрямок на 180°, що веде до утворення антипаралельних фрагментів. Спіралізуватись може до 75% всього поліпептидного ланцюга.

Для характеристики рівня структурної організації, що виникає внаслідок поєднання в білку різних типів спіралей інколи вводять термін "зверхвторинна структура". Є білки, для яких просторова укладка закінчується на рівні зверхвторинної структури. Це нитчасті - фібрилярні білки (1). Проте більшість білків зазнає ще більш компактної укладки і набуває близької до кулястої форми. Такі білки називаються глобулярними (2):

Фібрилярні білки виконують структурні функції, забезпечують міцність. Вони містять переважно гідрофобні радикали невеликих розмірів, які не заважають утворенню численних поперечних зшивок між ланцюгами. Це можуть бути водневі зв'язки між пептидними групами (в b-структурі). Часто зверхвторинні структури утримуються більш міцними зв'язками, наприклад, ковалентними дисульфідними між залишками цистеїну паралельних a-спіралізованих ланцюгів (1).

Особливо багато дисульфідних зв'язків в a-кератинах рогових утворів. В фібрилярному білку колагені - між спіралізованими ланцюгами зшивки утворюються водневими а також ковалентними зв'язками за рахунок модифікованих залишків лізину (2). В еластичній сполучній тканині міститься білок еластин, в якому поперечні зв’язки між ланцюгами здійснює десмозин. Він може об’єднувати не два, а три і чотири ланцюги, утворюючи сітчасту структуру, яка розтягується у всіх напрямках. Десмозин утворюється чотирма радикалами лізину: з відщепленням частини аміногруп (3):

Третинна структура

 

Третинна структура – це трьохмірна укладка поліпептидного ланцюга, яка стабілізується внутрішньомолекулярними взаємодіями радикалів амінокислотних залишків. Внаслідок вільного обертання навколо a-вуглецевих атомів радикали можуть по-різному орієнтуватись в просторі, утворюючі зв’язки із спорідненими групами і забезпечуючи термодинамічно вигідну укладку молекули.

В глобулярних білках поліпептидний ланцюг містить багато гідрофільних полярних радикалів, які орієнтуються назовні глобули, до оточуючого водного середовища, утворюючі водневі зв’язки з молекулами води. Гідрофобні радикали переважно занурюються всередину глобули, уникаючи контактів із водним середовищем, і утворюють між собою гідрофобні зв’язки. Оскільки кожний радикал є полярним (гідрофільним) , або неполярним (гідрофобним), то водневі і гідрофобні зв’язки відіграють вирішальну роль в формуванні глобули. Утворена компактна кулеподібна структура стабілізується більш міцними йонними та дисульфідними зв’язками:

 

 

Зв’язки у третинній структурі білка: 1 – водневі, 2 – йонні, 3 – дисульфідні, 4 – гідрофобні.

В компактній глобулі поруч опиняються групи, які в поліпептидному ланцюгу розташовані на значній відстані. Вони утворюють області з просторовою і хімічною специфічністю і забезпечують виконання певних функцій молекули. Такі відносно структурно і функціонально автономні фрагменти третинної структури називаються доменами. Домени виділяються при обережному розщепленні білків і зберігають характерні властивості цілого білку.

Перша модель третинної структури була створена для міоглобіну кашалота в 1957 році Дж. Кендрю із співробітниками (Англія) і удостоєна Нобелівської премії в 1962 p. Виявилось, що поліпептидний ланцюг міоглобіну, утворений з 153 амінокислотних залишків, має 8 відносно прямолінійних спіралізованих ділянок, розділених між собою згинами. Укладка молекули міоглобіну така компактна, що всередині може розміститись лише чотири молекули води.

Таким чином, з усіх можливих конформацій внаслідок вільного обертання амінокислотних радикалів і транс-розташування атомів в пептидних групах, поліпептидний ланцюг укладається в енергетично найбільш вигідну, найменш напружену. Для кожного індивідуального ланцюга з певною амінокислотною послідовністю в фізіологічних умовах клітини реалізується лише одна конформація, в якій він проявляє біологічну активність. Отже просторова форма білкових молекул однозначно визначається їх первинною структурою.

Значення способу укладки поліпептидного ланцюга яскраво проявляється на прикладі відкриття молекулярної мішені сметрельної хвороби коров’ячого сказу – інфекційної енцефалопатії, яка проявляється через віддалений час (більше року) після ураження і не має видових бар’єрів. Доведено (Prusiner at.al., 1982), що збудник хвороби має унікальну природу – це білок, названий “пріон”, який складається лише з одного поліпептидного ланцюга (M_r – 27 – 30 кД). Білок з ідентичною первинною структурою закодований в нормальному генотипі і повсемісно знайдений в досліджуваних організмах. Відмінність між нормальним білком і пріоном виявляється на рівні просторової структури. Дослідження, проведені в 1990 – 1993 р.р.(Pan et al), показали, що нормальний білок має енергетично вигідну конформацію, в якій на α-спіраль припадає біля 40% ланцюга, а на β-антипаралельні складки – лише 7% (всього 8 залишків в двох коротких фрагментах), тоді як молекула пріону на 50% утворена β-структурою і тільки на 20% - α-спіраллю. Відповідно нормальний білок є розчинним, а його токсичний варіант нерозчинний і утворює аморфні агрегати. Незрозуміло, чому токсичність пріону проявляється саме у центральній нервовій системі, тоді як нормальний аналог поширений повсемісно, які причини і механізм трансформації білка. На даному етапі можна лише узагальнити, що сучасні методи дослідження дозволили відкрити принципово новий механізм перенесення інфекції, який може бути застосований до хвороб, відомих досить довгий час.

Гомологічні білки, які виконують однакову функцію у різних організмів, дещо відрізняють за амінокислотним складом. Однак, як правило, ці відмінності не позначаються на характері зв’язків і тому вони мають однакову доменну будову.

Однак, є випадки, коли заміна лише одного залишку у великій молекулі істотно позначається на її функції. Наприклад, у хворих на серповидноклітинну анемію, при якій еритроцити крові мають неправильну форму, що приводить до порушення кровопостачання, причиною аномалії є заміна в молекулі гемоглобіну: в двох b-ланцюгах негативно зарядженого залишку глутамінової кислоти в положенні № 6 на гідрофобний залишок валіну. Ця аномалія є результатом мутації і передається по спадковості.

Існування чисельних амінокислотних послідовностей в природі визначає різноманітність форм білкових молекул. Таким чином, вже на найнижчому рівні організації - молекулярному - обумовлюється морфологічна багатоманітність форм.

Укладка поліпептидного ланцюга в просторову структуру відбувається дуже швидко. Якби поліпептид із ста амінокислотних залишків згортався в просторі шляхом “проб і помилок”, це зайняло би не менш, ніж 10⁵⁰ років. В дійсності час укладки такої молекули при 37⁰ становить біля п’яти секунд.

 

Четвертинна структура

Велика кількість білків складається більше, як з одного поліпептидного ланцюга. Четвертинна структура характеризує спосіб об’єднання поліпептидних ланцюгів в молекулі такого білку. Наявність четвертинної структури у того чи іншого білка можна прогнозувати за його кількісним складом. Як правило, окремі поліпептидні ланцюги містять від 100 до 300 залишків амінокислот і мають молекулярну масу 12000 - 36000. Якщо молекулярна маса більша 50000, то можна вважати, що білок складається з декількох поліпептидів.

Білки, які мають четвертинну структуру, називаються олігомерами або мультимерами, а ланцюги, з яких вони утворені, - протомерами або субодиницями.

Вперше четвертинна структура була встановлена для білка гемоглобіну на основі рентгеноструктурного аналізу М. Перутцем та співробітниками (Англія). Робота тривала біля 25 років і була удостоєна Нобелівської премії у 1962 p.

Гемоглобін складається з чотирьох субодиниць. Кожна субодиниця утворена поліпептидним ланцюгом і залізопорфіриновим комплексом. Ланцюги попарно однакові: два a- , які складаються з 141 амінокислотного залишка і два b-ланцюги – з 146 залишків. Кожний ланцюг має третинну структуру, подібну до міоглобіну. Ланцюги об’єднуються попарно, утворюючи контакти за рахунок переважно гідрофобних радикалів.

 

http://www.youtube.com/watch?v=eor6EK_JP40

 

Багато олігомерів складається з двох - дванадцяти ланцюгів. Однак відомі і значно більші молекули - білок вірусу тютюнової мозаїки містить біля 2200 поліпептидних ланцюгів.

Четвертинну структуру мають білки, які виконують складні біологічні функції і активність яких залежить від дії регулюючих факторів. Відокремлені ланцюги таких білків втрачають свою функцію, або систему її регуляції. Отже, олігомерні білки мають кооперативну узгодженість дії окремих протомерів.

Таким чином, порядок утворення білкової глобули можна уявити схематично так: первинна структура ® вторинна структура (a-спіралі і b-складчасті шари) ® зверхвторинна структура (суперспіраль, система регулярно розташованих шарів) ® домен (автономна компактна система, яка об’єднує декілька сусідніх структурних сегментів) ® третинна структура ® четвертинна структура. Багато білків функціонують лише в складі надмолекулярних комплексів з іншими білками, ліпідами, мембранами. Тому деякі автори виділяють п"ятеринну структуру білка як спосіб його включення в надмолекулярні структури.

Фізико-хімічні властивості білків

Властивості білків визначаються хімічним складом, розмірами і формою молекули. Білки мають молекулярну масу від 6 тисяч до мільйону і більше (для білків-олігомерів).

Розчинність. Фібрилярні білки не розчиняються у воді, так як містять переважно гідрофобні радикали, рівномірно розташовані вздовж витягнутої молекули. Глобулярні білки утворюють гідрофільні колоїди з розміром частинок 1-100 нм, в яких молекули води оточують глобули гідратними оболонками і взаємодіють з полярними групами на їх поверхні.

Дія дегідратуючих речовин порушує стабільність білкових колоїдів і викликає їх коагуляцію. Тому, наприклад, вживання алкоголю приводить до порушення функцій ферментів травного тракту. Нейтральні солі у великих концентраціях також викликають коагуляцію білкових колоїдів та їх осадження (висолювання білків).

Внаслідок великого розміру білкові молекули не проходять через напівпроникні мембрани. Це дозволяє очистити білок від низькомолекулярних домішок. Суміш в мішечку з напівпроникною оболонкою поміщають в посудину з проточною водою і витримують у ньому протягом кількох діб. Цей метод називається діалізом.

Молекули білка мають заряд, який визначається кількістю дисоційованих амінокислотних радикалів при певному рН. Значення рН, при якому сумарний заряд білкової молекули дорівнює нулю, називається ізоелектричною точкою білка (рІ), а відповідний стан білка - ізоелектричним станом. В ізоелектричному стані молекули білка найлегше злипаються - коагулюють.

В більшості біологічних рідин підтримується рН біля 7. В цьому діапазоні йонізовані всі амінокислотні радикали кислотного і основного типу. Навіть невеликі зміни рН істотно впливають на ступінь їх йонізації, а отже, на зв’язки, які вони утворюють і, як наслідок, на функцію білків. Наприклад, при пониженні рН на 0,5 одиниць послаблюється сила скорочень м’язових білків, гемоглобін втрачає здатність зв’язувати кисень.

Властивість білкових молекул зв’язувати йони гідрогену робить їх найбільш важливими буферними системами організмів. За фізіологічних значень рН найбільш ефективно протидіють зміні кислотності радикали гістидину, так як їх рК близьке до 7:

Жоден інший амінокислотний радикал не підходить на цю роль. Гемоглобін крові зв’язує за рахунок гістидинових радикалів біля 20 % загальної кількості йонів водню, які поступають в кров.

Суміш різних білків можна розділити в електричному полі за напрямком і швидкістю переміщення молекул з різним зарядом. Цей метод називається електрофорезом.

При повільному концентруванні білки утворюють кристали характерної форми. Цю властивість використовують для виділення індивідуальних білків.

Наявність реакційно здатних функціональних груп, стабілізація просторової структури слабкими взаємодіями, а також великі розміри молекул роблять білки дуже чутливими до дії зовнішніх факторів. Порушення унікальної природної конформації молекули, що відбувається внаслідок розриву нековалентних зв’язків і приводить до втрати біологічної активності, називається денатурацією.

Розглянемо дію головних денатуруючих факторів:

Вплив температури. Білки переважно втрачають свою конформацію при температурі вище 50-60°С, хоч відомі термофільні бактерії, білки яких витримують і вищі температури. Найбільш чутливі до підвищення температури водневі зв’язки. При температурі нижче 25° послаблюються гідрофобні взаємодії. В межах фізіологічних температур зміна просторової структури приводить лише до зміни біологічної активності, а не до її втрати. Особливу чутливість до зміни температури проявляє білок сполучної тканини колаген,  який денатурує при температурі на 20-30° меншій, ніж більшість білків, і лише на 1-2° вищій від температури тіла. Колаген дощових черв’яків, які живуть при 20°С, денатурує при 22°С, колаген коропа з теплих водойм (температура води 28 – 30⁰ С) - при 29-32°С.  Така подібність температури тіла і денатурації колагену має пристосувальне значення. Стан молекул на межі денатурації полегшує розщеплення їх в процесі обміну і покращує їх взаємодію при утворенні фібрил та їх скороченні.

Денатуровані білки, втрачаючи впорядковану будову, зменшують розчинність у воді, так як збільшується кількість гідрофобних радикалів, які контактують з водним оточенням (на схемі O – гідрофільні, а V – гідрофобні радикали):

Таке явище ми спостерігаємо, наприклад, при варінні чи смаженні яєць.

 

 

Вплив рН середовища. При екстремальних значеннях рН білки денатурують внаслідок зміни заряду функціональних груп. Однак осадження білку при цьому не спостерігається, оскільки молекули мають значний однойменний заряд і взаємно відштовхуються.

Денатуруючу дію на білки мають також деякі речовини з тих, що утворюють з ними солі. Це трихлороцтова та хлорна кислоти, катіони важких металів (Pb2+, Cu2+ та інші). При їх дії спостерігається осадження білків.

При денатурації первинна структура білків не порушується і в деяких випадках денатурований білок відтворює свого природну конформацію - відбувається ренатурація. Отже, денатурація може бути необоротна і оборотна.

 

Класифікація білків за особливостями хімічної будови

Загальноприйнятою є класифікація білків за хімічною структурою компонентів, що входять у склад білкової молекули. Усі білки діляться на 2 групи: прості й складні.

Прості білки (апопротеїни) при гідролізі розщеплюються тільки до амінокислот. Складні білки (голопротеїни) — це двокомпонентні білки. Вони складаються з будь-якого простого білка та небілкового компонента, який називається простетичною групою. Але і ця класифікація не позбавлена недоліків. Річ у тому, що прості білки зустрічаються дуже рідко, бо функціональні групи білків здатні утворювати комплексні сполуки з різними небілковими речовинами. Отже, поняття прості білки надто відносне.

Складні білки поділяються на підгрупи, залежно від будови небілко­вого компонента. Звідси розрізняють: хромопротеїни, гемопротеїни, флаво-протеїни, нуклеопротеїни, глікопротеїни, ліпопротеїни, фосфопротеїни, металопротеїни та інші. Недосконалість цієї класифікації полягає в тому, що деякі складні білки можуть бути віднесені до різних груп речовин. Наприклад глікопротеїни можна розглядати як складні білки та як складні вуглеводи.

 

 ПРОСТІ БІЛКИ

Поділ білків за формою молекул

Форма молекул білка, як було сказано при розгляді їх структурної організації, залежить від розміру поліпептидних ланцюгів і їх кількості, від характеру розміщення у просторі (їх упаковки).

Поліпептидні ланцюги в молекулах білків можуть скручуватися у вигляді спіралей, дисків або набувати витягнутих форм (видовжених) у вигляді різних джгутів. Тому за формою молекул білки діляться на глобулярні й фібрилярні.

Глобулярні білки. Значна частина розчинних білків,наприклад,альбуміни і глобуліни виворотки крові, білки молока яєць та інші, мають заокруглену форму,що наближається до еліпсоїдної. Такі білки були названі глобулярними (globulus — кулька з лат.).

 Фібрилярні білки. Багато білків мають витягнуту, ниткоподібну або фібрилярну (fibrilla — волокно з лат.) форму молекули. У таких білках довжина молекули значно переважає над товщиною (сотні й тисячі разів). Сюди відносяться білок сполучної тканини — колаген, шкіри — кератин, артеріальних стінок — еластин та інші. Цим білкам притаманні висока пружність, міцність на розрив та еластичність, що дає їм змогу скорочуватись та розпрямлятись.

      До простих білків відносять гістони, протаміни, альбуміни, глобуліни, проламіни, глютеліни і протеїноііди, або склеропротеїни. Як було сказано вище, ці білки при гідролізі розщеплюються до амінокислот, але разом із тим відрізняються між собою набором амінокислот, їх кількісним та якісним складом, що в кінцевому результаті надає їм відмінних фізико-хімічних та біологічних властивостей. Розглянемо представників простих білків.

Альбуміни і глобуліни

Альбуміни і глобуліни — дуже поширені у тваринному та рослинному світі білки. Вони містяться в плазмі крові, в клітинах та біологічних рідинах. Залежно від походження, розрізняють сероальбуміни (serum — сироватка крові), лактоальбуміни (lact — молоко з лат.), міоальбуміни (міо — м'яз). Аналогічні назви є і серед глобулінів. За формою молекул альбуміни і глобуліни відносяться до глобулярних білків. Альбуміни та глобуліни відрізняються між собою за молекулярною масою та розчинністю. Якщо для альбумінів характерна невелика молекулярна маса (15-70 тис. дальтон), то в глобулінів вона перевищує 150 тисяч. Альбуміни мають неком-пенсований від'ємний заряд і кислі властивості (ізоелектрична точка — 4,7) за рахунок великої кількості глутамінової кислоти. Вони добре розчиняються у воді й сольових розчинах, характеризуються високою гідрофільністю та високою дисперсністю. Тому альбуміни випадають в осад тільки при високих концентраціях речовин, які зв'язують воду. Альбумінам притаманна висока адсорбційна здатність, завдяки чому вони виконують транспортну функцію: переносять іони металів, ліки, жирні кислоти та пігменти тощо.

Глобуліни, на противагу альбумінам, не розчиняються в чистій воді, а тільки в слабких сольових розчинах. Це слабкокислі або нейтральні білки (ізоелектрична точка лежить в межах рН 6-7,3), які містять менше, ніж альбуміни, кислих амінокислот. Глобуліни, будучи слабогідра-тованими білками, випадають в осад за менших концентрацій (NH₄)₂SO₄ в розчинах, тоді як для осадження альбумінів потрібне 100 % насичення їх сульфатом амонію.

Альбумін і глобуліни плазми крові. У плазмі крові (рідка частина крові без клітинних елементів) вміст білків знаходиться в межах від 60 до 85 г/л. Із них на альбуміни припадає 40-50 г/л, на глобуліни — 20-35 г/л. За структурою ці білки неоднорідні й діляться на ряд фракцій, кількість яких залежить від способу розділення. Так, електрофорезом на папері в плазмі крові виявляють 5 фракцій: альбумін та 4 фракції глобулінів: альфа-1, альфа-2, бета та гамма. Якщо проводити імуноелектрофорез або електрофорез у поліакриламідному гелі, то кожна з фракцій глобулінів, одержаних при електрофорезі на папері, поділяється на ряд підфракцій, кількість яких, залежно від способу розділення, може сягати декількох десятків. Однак інтерпретація цих підфракцій не завжди до кінця зрозуміла. Відносно однорідною є тільки альбумінова фракція білків крові, але і вона при деяких впливах на організм розшаровується. У практичній медицині велике значення надається вивченню змін вмісту білків плазми крові та їх фракцій. Зменшення вмісту білка в сироватці крові (сироватка — це дефібринована плазма крові; вміст фібриногену складає 2-4 г/л) називається гіпопро-теїнемією. Вона може викликатися надходженням в організм недостатньої кількості білків (голодування, порушення травлення і всмоктування в кишечнику), порушенням синтезу білків у печінці, хронічними хворобами нирок, гострими і хронічними крововтратами.

Підвищення вмісту білків крові — гіперпротеїнемія — буває абсолютною і відносною. Відносна супроводжує втрату організмом рідини, загальна кількість білків крові залишається при цьому незмінною, хоча концентрація їх зростає. Це має місце при профузних проносах, тривалому блюванні, нецукровому діабеті, порушенні гемодинаміки.

Абсолютна гіперпротеїнемія спостерігається за умов підвищеного синтезу глобулінів плазми крові, що має місце при потраплянні в організм мікроорганізмів та виробленні імунітету. Порушення співвідношення між фракціями білків крові — диспротеїнемія — найчастіше зумовлене хронічними захворюваннями (туберкульоз, рак, ревматизм та ін.)

Для клініки важливе значення має відношення вмісту альбумінів (А) до глобулінів (Г), яке називається білковим, або альбуміноглобуліновим, коефіцієнтом. У нормі А/Г = 1,5-2,0. Зменшення його може відбуватися або за рахунок зменшення вмісту альбумінів, або за рахунок зростання глобулінів. Перше настає найчастіше при втраті їх через нирки (нефрити, нефрози, іноді у вагітних). Друге спостерігається при виробленні антитіл (гаммаглобулінів) у відповідь на якусь інфекцію.

Таким чином, альбуміни і глобуліни відрізняються між собою не тільки за молекулярною масою, гетерогенністю, значенням ізоелектричної точки, але і за функціями, походженням та рядом інших властивостей. Альбуміни, а-глобуліни і частково Р-глобуліни за походженням — це печінкові білки, у-глобуліни і частково Р-фракція глобулінів синтезуються в лімфоїдній системі. Альбуміни, на противагу глобулінам, швидко поновлюються і руйнуються — за добу до 10-16 г. За рахунок малого розміру молекул, високої гідрофільності та відносно високої концентрації альбуміни підтримують колоїдоосмотичний тиск крові, регулюють обмін води між кров'ю і тканинами. При зменшенні вмісту альбумінів нижче ЗО г/л настає спад онкотичного тиску та як наслідок — вихід води з крові в тканини, що супроводжується набряками. За допомогою альбумінів відбувається транспортування кров'ю вуглеводів, жирних кислот, гормонів, пігментів, ліків, мінеральних речовин. Половина вмісту кальцію сироватки крові зв'язана з альбумінами. Динамічна рівновага між іонізованим і зв'язаним кальцієм крові визначається альбумінами. Звідси, зменшення вмісту альбумінів і поєднаного з ним кальцію супроводжується підви­щенням проникності мембран, зростанням збудливості нервових і м'язових.

 

Протаміни і гістони

Це головні білки ядра клітини. Обидві групи цих простих білків складаються переважно з діаміномонокарбонових кислот і тому мають основний характер.

Гістони (від грецьк. гістос — тканина) — тканинні білки багато­клітинних організмів, зв'язані з ДНК. Вони мають невелику молекулярну масу (11-24 тис. дальтон). Гістони містять 20-35 % діамінокислот, переважно аргінін (до 26 %) та лізин (8-10 %). Ізоелектрична точка різних гістонів знаходиться в межах рН 9,5-12,0.

У складі нуклеопротеїнів ядра гістони виконують структурну і регуляторну функції: стабілізують просторову структуру ДНК, складають основу нуклеосом, входять до складу хроматину. Гістони блокують переда­чу генетичної інформації від ДНК до РНК (роль репресора), тобто регулюють біосинтез білка.

Протаміни — прості білки з дуже низькою молекулярною масою (4000-12000). Вони характеризуються різко вираженими основними властивостями через великий вміст аргініну (до 80 %). Як і гістони, протаміни — полікатіонні білки. За функціями вони також близькі до гістонів, але знаходяться переважно в сперміях. Тут вони надають більшої компактності ДНК. Але протаміни, вірогідно, не виконують ролі репресора в процесі синтезу білка, оскільки знаходяться переважно в клітинах, не здатних до поділу.

 Проламіни і глютеліни

Проламіни і глютеліни — рослинні білки, що різняться складом та фізико-хімічними властивостями. Вони знаходяться переважно в насінні злакових (пшениця, жито, ячмінь тощо) і складають основну масу клейковини.

Проламіни не розчиняються у воді, сольових розчинах, кислотах і лугах. Розчиняються вони тільки в 60-80 % спирті, ним ці білки екстра­гуються з насіння. До складу проламінів входить велика кількість аміно­кислоти проліну, що й зумовило назву цих білків.

Залежно від джерела виділення, розрізняють зеїн (із кукурудзи), оризеїн (із рису), гордеїн (із ячменю) тощо.

Глютеліни — нерозчинні у воді, спирті й розчинах солей. Розчиняються тільки в слабких лугах, що може бути пов'язано з переважанням вмісту в них аргініну і меншим — проліну.

Протеїноїди, або склеропротеїни

Склеропротеїни (від грецьк. склерос — твердий) входять до складу опорних та покривних тканин — кісток, хрящів, зв'язок, волосся, нігтів, шкіри тощо. Ці білки характеризуються високою стійкістю до дії різних фізичних і хімічних факторів. Вони не розчинні у воді й сольових розчинах, слабо розчинні в кислотах і лугах. У тканинах протеїноїди перебувають у нерозчинному стані, а при споживанні їх із харчовими продуктами дуже погано засвоюються. За формою молекул вони відносяться до фібрилярних білків, тобто мають витягнуту ниткоподібну форму. Ці мо­лекули утворюють багатомолекулярні ниткоподібні комплекси — фібрили. Розглянемо деяких представників групи протеїноїдів.

 

Колаген є у всіх багатоклітинних організмах, крім рослин. У людини на його долю припадає біля 5 % маси тіла і третина маси всіх білків організму. Це позаклітинний білок з унікальними властивостями. Його молекула витримує навантаження, вага якого в десятки тисяч разів більша від ваги білкової молекули. Тобто ці молекули міцніші, ніж сталевий дріт. Колаген бере участь у формуванні організму. Він визначає напрямок і швидкість росту клітинних елементів у організмі під час його росту і зберігає та підтримує набуту форму протягом життя.

 

Колаген має особливу структуру, яка не зустрічається в інших білках. В його поліпептидному ланцюгу майже кожний третій залишок - це гліцин. Також багато проліну і оксипроліну (останній не зустрічається більше ні в яких білках). В колагені також міститься лізин та його модифікація оксилізин:

                                                                                          оксипролін                                       оксилізин

Первинну структуру цього білка можна записати так: - (-глі-Х-У-)_n -, де Х - найчастіше пролін, а У - оксипролін. Ланцюг колагену закручується в спіраль, на кожен виток якої припадає три амінокислотних залишки. Таку спіраль називають малою. Мала спіраль скручується у велику, на виток якої припадає 30 амінокислотних залишків. Три великі паралельні спіралі утворюють суперспіраль, в якій вони щільно упаковані одна відносно одної навколо спільної осі.

Паралельні ланцюги з’єднуються між собою водневими зв’язками і хімічно модифікованими залишками лізину. Кінці поліпептидних ланцюгів відрізняються складом від основної частини, вони не спіралізовані, тому молекула нагадує за формою гантель з витягнутою центральною частиною і кулястими кінцями.

Молекули укладаються в пучки із зміщеними ступінчасто головками ("голова до хвосту") вздовж фібрили. Між молекулами також утворюються міцні поперечні зшивки. Завдяки цим зшивкам і скрученості спіралі фібрили колагену деформуються. Оксилізин, як складник колагену, може сполучатись із залишками вуглеводів (гексоз). За рахунок оксипроліну на поверхні колагену фіксуються молекули води, які утворюють тримірний каркас. Фібрили об’єднуються у волокна, які укладаються по-різному в різних тканинах і у різних організмів. При старінні організму кількість поперечних зшивок, а отже, і жорсткість структури колагену, зростає. Це погіршує якість сполучної тканини, наприклад, робить більш ламкими кістки, менш прозорою рогівку ока.

При кип’ятінні м’язової тканини (м’яса) частина пептидних зв’язків у колагені піддається гідролізу. При цьому утворюється суміш пептидів, що називається желатином. Тривалість приготування м’ясних страв визначається умовами руйнування волокон колагену.

СКЛАДНІ БІЛКИ

Білки, що містять у своєму складі, крім білкової, ще небілкову частину, називаються складними білками або голопротеїнами. Небілкова частина голопротеїнів — простетичною частиною білка (від грец. prostheto — приєдную). Складний білок при розщепленні утворює білкову частину — апопротеїн і небілкову — простетичну:

 

Складні білки поділяють на групи залежно від природи їх небілкової частини:

Особливості хімічного складу і будови білків реалізуються у виконанні ними певних біологічних функцій. З’ясуємо цю залежність на прикладі окремих функцій білків.

Хромопротеїни

Складні білки хромопротеїни надзвичайно поширені у тваринному і рослинному світі. За структурою це гетерогенні білки, до складу яких, крім білкової частини, входять різні простетичні групи, що надають білкам певного забарвлення. Назва "хромопротеїни" походить від грец. слова "хромо" — барва. У тваринному світі поширені залізопорфіриновмісні білки, в рослинному — магнійпорфіриновмісні білки. Із першими пов'язане забарвлення крові в червоний колір, а з другими — забарвлення листків рослин у зелений колір. Білки, що містять залізопорфіринові комплекси, створюють підгрупу хромопротеїнів, що називаються гемопротеїнами. До них відносять гемоглобін, міоглобін, каталазу, пероксидазу, цитохроми. Усі ці білки містять як простетичну частину гем або його похідні.

До негемовмісних хромопротеїнів належать білки плазми крові: церулоплазмін, що містить мідь; трансферин — залізо; а також фермент

ксантиноксидаза — молібден. Такі білки називаються металопротеїнами. Білки, що містять забарвлену простетичну частину похідне ізоалоксазину, називаються флавопротеїнами. Для всіх хромопротеїнів властива участь у складних біологічних процесах організму. Деякі з них уловлюють кванти сонячного випромінювання і перетворюють їх в енергію новостворених хімічних сполук — фотосинтез (хлорофіловмісні протеїни). Інші транспортують до тканин гази (СО2 і О2), беруть участь у транспорті електронів і протонів під час дихання клітини, відповідають за сприйняття світла і кольорів, вилучення енергії при окисно-відновних процесах. Для людини і високоорганізованих тварин найважливішими з хромопротеїнів є гемопротеїни. Усі гемопротеїни містять у своєму складі гем або його похідні.

Розглянемо детальніше будову гемоглобіну, одного з найважливіших для людини і тварин білків крові. Він переносить кров'ю кисень від легень до тканин, а звідти — до легеневої тканини вуглекислий газ. Гемоглобін є основним буфером еритроцитів і надає крові червоного забарвлення.

 

Ліпопротеїни

Ліпопротеїни — група складних білків, компонентами яких є білки і ліпіди. Простетичною частиною в них можуть бути нейтральні жири, жирні кислоти, фосфоліпіди, холестерин. Умовно ліпопротеїни можна поділити на рухомі (ліпопротеїни плазми крові, молока та ін.) та фіксовані, або структурні (містяться в складі мембран). Перші розчиняються у воді, а другі — в жиророзчинниках.

До складу ліпопротеїнів плазми крові входять нейтральні трі-ацилгліцерини, холестерин, фосфоліпіди та білки. Вони утворюють міцели, в центрі яких знаходяться тріацилгліцерини та ефіри холестерину, а зовнішній шар утворений фосфоліпідами, холестерином неетери-фікованим та білком, тобто сполуками, що мають вільні полярні групи. За рахунок цього такі ліпопротеїни розчиняються у плазмі крові й транспортують кров'ю до органів різні ліпіди. Розрізняють альфа-ліпопротеїни, бета-ліпопротеїни, пребета-ліпопротеїни та хіломікрони. Кожен із них відповідає за транспортування певних видів ліпідів. Структурні ліпопротеїни входять до складу мембранних утворень клітин. Вони містять більше білків (до 65-85 %) і розчиняються в жиророз­чинниках. У цих ліпопротеїнах білки утворюють серцевину, а оболонку утворюють полярні ліпіди, в які наче занурені білкові структури мембран. За появу зв'язків між ліпідними та білковими структурами відповідають різні нековалентні сили взаємодії. Завдяки їм біомембрани мають специфічну подвійну білково-ліпідну структуру.

 Глікопротеїни і протеоглікани

Глікопротеїни — складні білки, простетичною частиною яких є вуглеводи або їх похідні. При гідролізі глікопротеїни, крім амінокислот, дають ще гексозаміни (глюкозаміни, галактозаміни), глюкозу, галактозу, манозу, оптову, сірчану, нейрамінову, сіалову та інші кислоти. Вуглеводна частина глікопротеїнів може бути представлена моно- або полісахаридом. З однією молекулою білка може зв'язуватись різна кількість вуглеводневих ланцюгів.

Усі глікопротеїни поділяються на дві групи:

1) власне глікопротеїни;

2)     протеоглікани.

Власне глікопротеїни — це типові білки. Вміст вуглеводних ком­понентів в них — до 4 %. Протеоглікани (стара назва "мукопротеїни") містять до 90 % і більше вуглеводів. В їх складі містяться глікозаміноглікани або кислі мукополісахариди, які є характерними для сполучної тканини. Глікопротеїни зустрічаються серед всіх класів білків — ферментів, гормонів, транспортних, структурних білків тощо. До глікопротеїнів відносяться (Xj, а₂ глобуліни, резус-антитіла, вони містяться також у слизовій шлунка, слині, хрящовій і сполучній тканинах. У кислих мукопротеїнах знаходиться більше 36 % вуглеводів. До їх складу входять маноза, глюкозамін, гіалуронова та хондроїтинсірчана кислоти. Глікопротеїни шлунково-кишкового тракту називаються муцинами. Муцини — основа різних слизів (слини, шлунка та кишечника). Вони виконують захисну функцію, послаблюючи механічне та хімічне подразнення клітин травного тракту різними факторами, що потрапляють із поживними речовинами. Мукоїди — протеоглікани синовіальних рідин у суглобах і хрящах. Відіграють роль змащувальних матеріалів в апараті руху. їх простетичною групою є гіалуронова та хондроїтинсірчана кислоти. Ці останні, крім синовіальних рідин, містяться ще в складі міжклітинної основної речовини сполучної тканини (будову їх див. у розділі "Сполучна тканина"). Таким чином, глікопротеїни виконують дуже важливі функції в життєдіяльності організму. Деякі з них є анти­коагулянтами, наприклад протеоглікан гепарин; глікопротеїн пропердин проявляє властивості антибіотика; ряд ферментів і гормонів за природою є глікопротеїнами.

Глікопротеїни знаходяться також у мембранах, переважно в плазматичній. Вуглеводи плазматичних мембран відіграють роль специфічних лігандів для білків. Під час розвитку імунітету глікопротеїни плазматичних мембран виконують роль антигенів. Рецепторна функція мембран також реалізується за допомогою глікопротеїнів. Вуглеводи глікопротеїнів можуть захищати білкову частину від дії протеолітичних ферментів. Так, муцини слизової травного тракту захищають секреторні клітини від дії протеолітичних ферментів; глікопротеїн шлункового соку (внутрішній фактор Кастла) захищає і сприяє всмоктуванню в кишечнику вітаміну В₁₂. Виявлено, що глікопротеїни плазми крові, наприклад, церулоплазмін, трансферин та ін., мають на кінцях поліпептидного ланцюга сіалові кислоти, що регулюють тривалість перебування їх у крові. Якщо від церулоплазміну відщепити залишки сіалових кислот, то він шляхом ендоцитозу потрапляє в гепатоцити, де під впливом лізосомальних ферментів піддається розщепленню. Як наслідок, період напівжиття церулоплазміну скорочується від кількох годин до декількох хвилин. Зміни концентрації глікопротеїнів у крові застосовують для діагностики та ефективності лікування захворювань печінки.

Нуклеопротеїни

Нуклеопротеїни — дуже важливі білки всіх клітин. Із них скла­дається основна маса ядра. Саме тому нуклеопротеїни виділяють із тканин, багатих на ядерну речовину (залозиста тканина селезінки, підшлункової залози, сперматозоїди, ядерні еритроцити птахів тощо). Назва нуклеопротеїнів походить від лат. слова nucleus — ядро. Уперше були виділені швейцарським ученим Ф.Мішером у 1872 р. з ядер лейкоцитів. Він звернув увагу на кислий характер цих білків і показав, що білкова частина пов'язана з небілковою, яку він назвав нуклеїном. Тільки значно пізніше її було названо нуклеїновою кислотою.

Таким чином, нуклеопротеїни (НКП) — це складні білки, побудовані з простого білка та нуклеїнової кислоти. Встановлено також, що НКП містяться не тільки в ядрах, а й у цитоплазмі та її органелах (мітохондрїї, рибосоми тощо). Роль НКП зумовлюється функцією їх складових компонентів, тобто білків і нуклеїнових кислот. Цю роль можна звести в загальному до поділу клітин, синтезу білка і передачі спадкових ознак. Однак ні самі нуклеїнові кислоти, ні білкова частина, взяті окремо, не можуть її відігравати. Щодо білків, які входять до складу НКП, то у високоорганізованих тварин та людини це переважно гістони і протаміни (лужні білки з рН = 10), рідше — альбуміни і глобуліни; у вірусних НКП, навпаки, переважають альбуміни і глобуліни. У складі НКП ядра зустрічається 5 видів гістонів (Н_1. Н_2а, Н_2ь, Н₃, Н₄), що різняться між собою вмістом аргініну та лізину. Гістони, пов'язані з ДНК у хромосомах, впливають на будову й функцію ДНК і регулюють синтез білків залежно від потреб організму. Протаміни, вірогідно, виконують аналогічну гістонам функцію у сперматоцитах.

За білковими частинами НКП поділяють на нуклеогістони та нуклеопротаміни, а вид нуклеїнових кислот надає НКП назви дезокси-рибонуклеопротеїїгів (хроматин), а в цитоплазмі — рибонуклеопротеїнів (рибосоми). Структурна організація хроматину складна і змінюється з клітинним циклом. Приблизно 2/3 частини в хроматині припадає на білок і 1/3 — на ДНК, незначна частина — на РНК (до 10 %). За даними електронної мікроскопії, в хроматині можна виділити структури, що називаються нуклеосомами. Вони подібні до нитки, що обмотується навколо намистин. У цих утвореннях функцію намистинок виконують молекули гістонів, а нитка представлена ДНК. Завдяки такій структурі ДНК забезпечується компактне розташування в ядрі клітини.

До складу рибосом (рибонуклеопротеїнів) входить декілька десятків білків та декілька різновидностей РНК. Рибосоми складаються із двох субодиниць — малої і великої. Вони працюють як механізм для біосинтезу білка.

Інші види складних білків — флавопротеїни та складні ферменти.

Пептиди

Сполуки, побудовані із амінокислот, зв'язаних пептидними зв'язками, що містять до кількох десятків амінокислот, називаються пептидами. Пептиди виділяють препаративно із органів і тканин або одержують хімічно шляхом синтезу. Вони характеризуються високою біологічною активністю та низькою стабільністю в організмі при фізіологічних рН середовища. Вважають, що природні пептиди утворюються із відповідних білків при обмеженому протеолізі під час посттрансляційної модифікації (див. "Біосинтез білка").

Пептиди ділять на такі групи:

·        пептиди — гормони (глюкагон, вазопресин, кальцитонін тощо);

·        пептиди — регулятори травлення (гастрин, секретин та інші);

·        пептиди — похідні білків сироватки крові, що впливають на
тонус судин (брадикінін, калідин, ангіотензин);

·        атріопептиди  — виділені із тканини передсердя, підсилюють
клубочкову фільтрацію та виділення натрію і хлоридів нирками;

·        нейропептиди — виділені із тканин мозку. Деякі з них мають
відношення до знеболення, сну, механізмів пам'яті, навчання тощо;

·        глутатіон — трипептид (у-глутаміл-цистеїніл-гліцин) знайдений
у багатьох тканинах людини, тварин і рослин. Завдяки вільній SH-групі він бере участь в регуляції багатьох окисно-відновних процесів, є потужним компонентом антиоксидної системи.

В клініці для оцінки ступеня ендогенної інтоксикації при таких патологічних станах, як опікова хвороба, печінкова і ниркова недостатність, запальні процеси, визначають середньомолекулярні пептиди в сироватці крові, вміст яких внаслідок активації протеолітичних ферментів зростає і свідчить про деструкцію тканин.

Якісні реакції на амінокислоти та білок

Виявлення сірковмісних амінокислот  реакцією  Фоля.

    В пробірку помістити 10 крапель яєчного білка і 20 крапель 10% розчину гідроксиду натрію. Вміст пробірки перемішати, нагріти до кипіння. Додати 5 крапель 10% розчину ацетату свинцю і знову прокип’ятити. Відмічаємо  появу чорного або бурого осаду.

 

Ксантопротеїнова реакція - кольорова якісна реакція (поява жовтого фарбування), яку дають розчини білка при кип'яченні з концентрованою азотною кислотою. Після додавання концентрованого лугу жовте фарбування переходить в помаранчеве. Реакція вказує на присутність ароматичних амінокислот (фенілаланіна, тирозину і триптофану) і обумовлена освітою їх нітропохідних.

Взаємодія α-амінокислот з нінгідрином

У пробірку вносять 2 краплі 0,1 %-го розчину нінгідрину та 4 краплі 1 %-го розчину α-амінокислоти. Суміш нагрівають до кипіння і спостерігають появу синьо-фіолетового забарвлення розчину:

 

 Нінгідринова реакція застосовується для якісного визначення α-амінокислот.

Біуретова реакція на пептидні зв'язки.

Біуретова реакція, кольорова реакція (поява фіолетового забарвлення), яку дають при взаємодії з сірчанокислою міддю в лужному середовищі органічні речовини, що мають в молекулі угрупування —СО—NH—. Широко використовується для якісного і кількісного визначення білків і продуктів часткового їх гідролізу (пептонів і пептидів, починаючи з трипептидів). Вперше описана в 19 ст для простої сполуки  — біурету (NH ₂ —CO—NH—CO—NH ₂ ).

 Реакція Адамкевича (Адамкевича-Гопкінса (1874)) Опис досвіду.До 2 мл 1%-го розчину триптофану доливають ~ 1 мл концентрованої оцтової кислоти, струшують і по стінці пробірки обережно додають ~2 мл концентрованої сірчаної кислоти. На межі двох рідин спостерігають утворення червоно-фіолетового забарвлення. При струшуванні рідина забарвлюється у фіолетовий колір.

 

Реакція Міллона

Це реакція на амінокислоту тирозин. Реактив Міллона (розчин HgNO₃ і Hg (NO₂)₂ в розведеній HNO₃, що містить домішку HNO₂) взаємодіє з тирозином з утворенням ртутної солі нітропохідних тирозину, зафарбованої в рожево-червоний колір:

 

Опис досліду. До 2 мл концентрованого розчину тирозину додають ~ 1 мл реактиву Міллона, струшують і обережно нагрівають пробірки наполум'ї спиртівки. Утворюється червоне забарвлення.