Вступ до біохімії. Амінокислотний склад, будова, фізико-хімічні властивості, класифікація та функції простих і складних білків
Біологічна хімія - це наука, яка вивчає хімічний склад, будову та перетворення речовин в живих організмах.
Сучасна людина повинна володіти основами біохімічних знань для вироблення принципів раціонального способу життя - харчування, поводження серед величезної кількості чужорідних хімічних речовин, що оточують - препаратів побутової хімії, косметичних засобів, консервантів, ліків, забруднювачів середовища.
В розвитку біохімії можна виділити чотири періоди.
І. Передісторія (з давніх часів до ХV ст.) - накопичення практичного досвіду (технології хімічної обробки речовин біологічного походження, вивчення їх хімічних властивостей) та формування наукових понять здійснювались відокремлено.
П. Період бурхливого накопичення фактів і спроби застосування наукових надбань до вивчення живого (XV - початок XIX ст.). Досліджується елементний і речовинний склад живого. Перші складні вуглецеві речовини були відкриті як продукти життєдіяльності - карбонові кислоти, гліцерин, крохмаль, глікоген, амінокислоти, нуклеїнові кислоти (дослідження К. Шеєле, К. Бернара, К. С. Кірхгофа, М. Шевреля. А. Браконно, Ф. Мішера). Таким чином, було показано, що живі організми складаються з хімічних сполук, для яких справджуються спільні хімічні закони.
Ш. Період становлення і розвитку (друга половина ХІХ - перша половина ХХ ст.). Біохімія виділилась у самостійну науку. У 1903 р. К. Нейберг ввів термін «біохімія». Вивчається структура біомолекул: білків (Е. Фішер, О. Я. Данилевський*), нуклеїнових кислот (А. Коссель, Альтман, О. М. Білозерський), вуглеводів (Е. Фішер), ліпідів, вітамінів (О. В. Палладін). Створено основні положення ферментативного каталізу (Е. Фішер, Е. Бухнер), теорії біологічного окиснення (О. М. Бах*, В. І. Палладін*), з’ясовано роль макроергічних сполук, зокрема АТФ в обміні речовин, м’язовому скороченні (В. О. Енгельгардт, А. Сент-Дьордьї, В. О. Беліцер) відкриті основні проміжні продукти та шляхи обміну речовин (Г. Кребс, М. В. Ненцький*, І. І. Горбачевський*, Я. О. Парнас*, О. Є. Браунштейн)
ІУ. Сучасний період (з 40-х років до наших днів) характеризується активною інтеграцією точних наук та їх методів для пояснення молекулярних механізмів біологічних функцій. Здійснено видатні відкриття, що дало підставу назвати П-у половину ХХ ст. “золотим віком біології”. З’ясовано просторову структуру білків (Ф. Сенгер*, Л. Полінг*, М. Корі*, Дж. Кендрю*, М. Перутц*, Ю. О. Овчінніков) і нуклеїнових кислот (Дж. Уотсон*, Ф. Крік*, Ф. Сенгер*, Р. Холлі*, О. О. Баєв), механізм функціонування ферментів, дії вітамінів і гормонів (В. Сазерленд*), біосинтезу білків та його регуляції (М. Ніренберг*, Х. Г. Корана*, Ф. Жакоб* і Ж. Моно*, А. Корнберг*, С. Очоа*, В. Темін*), створено теорію біологічної трансформації енергії (П. Мітчел*, В. П. Скулачев).[1][2] Активно вивчається біохімія імунної системи, нервової діяльності, диференціації клітин, роль структурної організації клітини в біохімічних процесах.
Біохімічне дослідження включає такі етапи та методичні прийоми: 1. Механічне подрібнення біологічного матеріалу - гомогенізацію і фракціонування, наприклад, за допомогою центрифугування; 2. Розділення молекул за їх фізико-хімічними характеристиками – молекулярною масою, розчинністю, зарядом (ультрацентрифугування, хроматографія, електрофорез); 3. Вивчення складу і будови окремих молекул (гідроліз та виявлення продуктів гідролізату), їх просторової структури, ферментативної активності оптичними (спектрофотометрія), електрохімічними (потенціометричне титрування), радіоспектроскопічними (ЕПР, ЯМР) методами, рентгеноструктурним аналізом (метод дифракції рентгенівських променів). При вивченні обміну речовин застосовується метод мічених атомів. В біохімічному експерименті дуже важливе дотримання оптимальних умов (рН, температура, осмотичний тиск).
Білки
Найважливішими біомолекулами є білки.
Білки виконують важливі біологічні
функції: а) каталітичну - найсуттєвішу, так як переважна більшість
перетворень в організмі здійснюється тільки під впливом каталізаторів –
ферментів, які є білками; б) структурну - білки у тварин утворюють рогові
покриви, є основою сполучення між клітинами (на структурний білок сполучної
тканини колаген припадає третина всіх білків організму за масою); в) рухову
(скорочувальні білки у всіх живих організмів побудовані і функціонують за
спільним принципом, наприклад, актин і міозин у м’язовому волокні); г)
транспортну - переносять гази (гемоглобін, міоглобін), залишки жирних кислот
(альбумін крові), здійснюють активний транспорт багатьох речовин через
мембрану; д) регуляторну - швидкість біохімічних перетворень регулюють зокрема
гормони гіпофізу, підшлункової залози, які є білками або похідними амінокислот,
нейроолігопептиди забезпечують в головному мозку складні психічні і
фізіологічні явища (пептид страху, пам’яті тощо), білки є регуляторами
зчитування спадкової інформації з ДНК, рецепторами мембран, які забезпечують
трансформацію і передачу в клітину інформації (гормонального сигналу); е)
захисну - антитіла, які виробляються у відповідь на появу чужорідних молекул,
зв’язують і знешкоджують їх - білки, серед них - інтерферон – єдиний відомий
білок, який знешкоджує чужорідну нуклеїнову кислоту; токсини, наприклад
бутулізму є захисними молекулами для організму, який їх виділяє; є) енергетичну
- при повному окисненні
Таким чином, білки забезпечують більшість життєвих проявів. Найпростішим живим організмом, який здатний реалізувати свою спадкову інформацію, є вірус – комплекс нуклеїнової кислоти і білка (вірус біологи жартома називають кепською новиною у білковому конверті).
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.
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:
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.
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.
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
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.
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
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 (рис 5.2.). 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) (рис. 5.7.).
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 :
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 .
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. 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:
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 (рис 5.5.). 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 (Mr – 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.
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.
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 6ілків-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 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.
Класи білків. Структурно-функціональна характеристика окремих представників
За складом білки поділяють на прості, які складаються лише з амінокислотнїних залишків, і складні, які містять, крім білка, компонент небілкової природи.
Серед простих білків виділяють групи, представники яких мають подібний склад, молекулярну масу, властивості і функцію: альбуміни, глобуліни, гістони, протаміни тощо.
Складні білки поділяють на групи залежно від природи їх небілкової частини:
глікопротеїни - багато білків сполучної тканини, крові, зовнішньої поверхні клітинних мембран;
ліпопротеїни – форма транспорту ліпідів в крові, інтегральні білки мембран,
нуклеопротеїни - хромосоми, рибосоми;
фосфопротеїни - поживний білок молока казеїн;
металопротеїни - містять безпосередньо атоми металу, а не металоорганічні комплекси типу гему. До них належать металоферменти, форми запасання і транспорту металу феритин (Fe), церулоплазмін (Cu), металотіонеїн (Zn, Cu, Cd));
хромопротеїни – містять забарвлену органічну групу (гем, рибофлавін).
Особливості хімічного складу і будови білків реалізуються у виконанні ними певних біологічних функцій. З’ясуємо цю залежність на прикладі окремих функцій білків.