Полная версия

Главная arrow Математика, химия, физика arrow БИОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Структура и классификация белков

Структура белка определяется наличием многих типов связей и слабых взаимодействий внутри макромолекул и между молекулами. Существует понятие о четырех уровнях структуры белков.

Первичную структуру белковой молекулы составляет скелет ковалентных связей, в том числе ковалентные мостиковые связи, подобные дисульфидной или фосфатной.

В основе вторичной структуры лежат водородные связи между амидными группами ( /С=о ? • • h-n-co-я- ) полипептидной цепи, которые во многом определяют спиралевидное закручивание белковой молекулы. Энергия одиночной водородной связи невелика (4- 12 кДж/моль), однако таких связей в белковой молекуле может быть несколько сотен или тысяч, так что их общая энергия может достигать больших значений.

Известны три типа вторичной структуры белковых молекул: а-спиральная. р- склалчатая и структура типа коллагеновой спирали (Л. Полинг, Р. Кори). Фибриллярные а-кератины (кожа, шерсть, перья) состоят из полипептидных цепей, имеющих правую а-спиральную конфигурацию. В этом случае цепи сворачиваются таким образом, что возможно образование водородных связей между амидными водородными атомами и карбонильными группами, разделенными четырьмя аминокислотными фрагментами.

Для других фибриллярных белков (p-кератина, фиброина) характерна р- складчагая структура, которая образуется параллельно размещенными вытянутыми фрагментами одной или нескольких полипептидных цепей.

Третий mu структуры - коллагеновая спираль, состоящая из трех спирализованнмх цепей. Эти цепи закручиваются одна вокруг другой, образуя суперспираль.

Упорядоченная структура белка обеспечивается также системой взаимодействий, составляющих третичную структуру молекулы. К этой системе относятся взаимодействия между фрагментами молскулы за счет сил Ван дер Ваальса, агломерация лиофобных боковых цепей при оггалкивании молекул растворителя, нехарактерные водородные связи, меж-ионные взаимодействия (рис. 9.1). Энергия каждой из этих сил невелика, однако их суммарное действие значительно. Так, энергия вандерваальсовского взаимодействия, приводящего к глобулярному свертыванию белковой молекулы, достигает 21 GO- 25 00 кДж/мол.

Межмолекулярные взаимодействия обусловливают формирование четвертичной структуры, которая проявляется в образовании сложных молекул, ферментных комплексов и ассоциатов, нуклеопротеидов, липопротеидов, гликолипидов, а также мицелл, фибрилл и других макроструктур.

На уровне создания такого типа упорядоченных структур резко возрастает значение слабых взаимодействий.

Типы взаимодействия в молекуле белка, составляющие его третичную структу ру

Рис. 9.1. Типы взаимодействия в молекуле белка, составляющие его третичную структу ру:

а - электростатическое взаимодействие; Ь - водородная связь; с - взаимодействие неполярных групп путем вытеснения молекул растворителя; d - силы Ван дер Ваальса

Что касается структуры белков, то в зависимости от формы и конформации макромолекул они разделяются на глобулярные и фибриллярные. Глобулярные белки имеют шарообразную или эллипсоидную форму молекул. К ним относятся практически все известные ферменты, растворимые белки сыворотки крови, антитела, некоторые гормоны.

Фибриллярные белки состоят из вытянутых нитевидных молекул. К этой группе относятся белки мышц (миозин), волос (кератин), шелка (фиброин).

По составу и физико-химическим свойствам белки разделяют на простые (протеины) и сложные (протеиды).

Протеины при гидролизе дают только аминокислоты. В случае же протеидов при гидролизе образуются наряду с аминокислотами вещества небелковой природы, называемые простетическими группами. В качестве таких групп могут выступать фрагменты гетероциклов, фосфорной кислоты, углеводов, липидов, нуклеиновых кислот.

Однако и простые белки в процессе метаболизма могут подвергаться химической модификации (фосфорилированию, ацетилированию, метилированию и др.).

К протеинам относятся альбумины, глобулины, протамины, про- ламины, гистоны, глютелины, протеиноиды. Альбумины и глобулины широко распространены в клетках растительных и животных организмов.

Альбумины содержатся в цитоплазме клеток, в крови, лимфе, характеризуются высоким содержанием лейцина (до 15%), лизина, ас- паргиновой и глутаминовой кислот (М = 35.000-70.000, изоэлектриче- ская точка pi 4,6-4,7). Альбумины хорошо растворяются в воде и солевых растворах, высаливаются сульфатом аммония (в пределах насыщения 80-100%).

Некоторые из альбуминов выделены в кристаллическом виде (бычий сывороточный альбумин, яичный альбумин и др.).

Глобулины близки по составу к альбуминам, содержат много глицина (3—4%), являются глобулярными белками (М = 90.000- 1.500.000), плохо растворяются в солевых растворах и не растворяются в воде. Глобулины выполняют в организме защитные функции. В частности, в таком качестве хорошо известны у-глобулины (специфические антитела). Белок из ряда глобулинов - фибриноген - участвует в процессах свертывания крови.

Глютелины и проламины - белки растительного происхождения. К глютелинам относятся глутенин - белок зерна пшеницы, глуте- лин - белок зерна кукурузы, оризенин. Глютелины найдены в листьях многих растений.

Белки этого типа не растворяются в воде, но растворяются в разбавленных растворах кислот и щелочей.

Проламины отличаются высоким содержанием аминокислоты пролина (до 15%), хорошо растворяются в 70-80% спирта, что используется для их выделения и очистки. К проламинам относятся зеин (семена кукурузы), глиадин (рожь, пшеница), гордеин (ячмень). Проламины образуют основную массу клейковины семян, придающей тесту характерную консистенцию.

Гистоны и про I амины - сильноосновные белки (М = 4.000- 12.000) с высоким содержанием диаминокарбоновых кислот (аргинина, гистидина, лизина).

Гистоны содержат в своем составе 20-30%, а проламины - 50- 80% таких кислот. Белки этой группы включены в ядра клеток высших животных, составляют белковую часть нуклеопротеидов, играют важную роль в формировании ядерного нуклеопротеидного комплекса (хроматина). Примерами протаминов являются сальмин (из молока семги) и скубрин (из скумбрии).

Протеиноиды (склеропротеины). Это фибриллярные белки опорных тканей: костей, хрящей, связок, шерсти, копыт, волос, щелка и др. Они не растворимы в воде, солевых растворах, разбавленных растворах кислот и щелочей. Ферменты пищеварительных ферментов не способны их гидролизовать.

Протеиноиды богаты глицином, пролином и цистином. Характерная их особенность - высокое содержание серы. Представителями белков этого типа являются кератины, фиброин, коллаген и эластин (М = 2.000.000 и более).

Кератины образуются в эпидермисе кожи, входят в состав волос, шерсти, рогов и копыт. К кератинам относится нейрокератин нервной ткани.

Фиброин (М = 30.000) - нерастворимый белок шерсти, вырабатывается железами гусениц, пауков, бабочек-шелкопрядов.

К протеидам, или сложным белкам относятся хромопрогеиды, фосфопротеиды, липопротеиды, гликопротеиды и нуклеотиды.

Хромопрогеиды содержат окрашенные простетические группы в виде металлокомплексов на основе норфирина (гемоглобин, миогло- бин, геминовые ферменты - каталаза, пероксидаза, цитохромоксидаза), производных изоаллоксазина (флавиновые ферменты), каротина (родопсин).

В состав молекулы гемоглобина (М = 60.000-70.000) входит белок глобин, состоящий из четырех полипептидных цепей, и простети- чсская группа гем - хелатный комплекс железа(Н) и макроцикла про- топорфирина. Последний, в свою очередь, является производным пор- фирина (порфина), заключающего в себе четыре пиррольных кольца и три типа заместителей (-СНз, -СН =СН2, -СН2СН2СООН).

В зависимости от порядка расположения указанных выше заместителей протопорфирин может образовывать 15 изомеров. Самой рас- пространеной формой является протопорфирин IX, включенный в состав гемоглобина, миоглобина и большинства цитохромов.

Гемоглобин образует нестойкий комплекс с молекулярным кислородом - оксигемоглобин, обеспечивающий перенос СЬ в органы и ткани организма (см. п. 11.1 - Биохимия крови).

Более стойкий комплекс гемоглобин образует с оксидом углеро- да(И) - карбоксигсмоглобин, обусловливающий ядовитость этого газа.

Образование гемоглобином комплексов с газами не изменяет валентность железа(И), в то время как в гемсодержащих оксидоредуктазах - цитохромах, выступающих в качестве переносчиков электронов, железо обратимо изменяет степень окисления:

Миоглобин (М = 17.000) состоит из одной молекулы белка и одного гема, обеспечивает кислородом мышечные ткани. Сродство кислорода к миоглобину выше, чем к гемоглобину.

К хромопроилам относится группа оксидоредуктаз дыхательной цепи - цитохромов. Они содержат железопорфириновые просгегиче- ские группы, то есть гемовое железо, и осуществляют перенос электронов в окислительно-восстановительных реакциях.

Белковый комплекс цитохромоксидазы состоит из семи субъединиц и пронизывает внутреннюю мембрану митохондрий. Молекулярная масса этого хромопротеида составляет порядка 140.000 (с учетом входящих в его состав липидов - примерно 200.000).

К гемовым белковым комплексам относятся фермент каталаза (М = 225.000), содержащий 4 гема, и пероксид аза, включающая один гем.

В окислительно-восстановительных процессах во всех формах жизни участвуют и негемовые железопротеиды, осуществляющие перенос электронов в дыхательной цепи митохондрий, при фотосинтезе и в процессе фиксации азота. В этих соединениях железо связано не с гемом, а с серой сульфгидрильных групп (-SH) аминокислотного фрагмента цистеина. Известны структуры железопротеидов, содержащие от одного до 8 атомов железа, например, 2 Fe-S - ферредоксин, 8 Fe-S - ферредоксин.

Резервной формой железа в организме является железосодержащий хромопротеид ферритин.

В гемолимфе беспозвоночных животных обнаруживается хромопротеид, содержащий медь - гемоцианин (М = 350.000-6.500.000).

Важнейший хромопротеид растений, обеспечивающий фотосинтез, образуется на основе хлорофилла и представляет собой комплекс протопорфирина с магнием(Н).

К хромопроидам, не содержащим в своем составе металлов, относятся флавопротеиды (ФАД, ФМН). В качестве простстичсской группы они включают рибофлавин. Флавопротеиды участвуют в окислительно-восстановительных реакциях. В окисленном состоянии они окрашены в красный, коричневый или зеленый цвет.

В группу хромопрогеидов входят и рстинилиденпротеиды, содержащие в качестве хромофорных группировок ретинали. Они локализованы в сетчатке глаза и отличаются высокой фоточувствитсльностыо.

Большую группу сложных белков составляют липопротеиды (М = = 200.000-1.300.000), включающие липиды (жиры, холестерол, фосфатиды и др.). Они растворимы в воде, содержатся в протоплазме клеток, в плазме крови, лимфе, яичном желтке, молоке. Липопротеиды осуществляют транспорт многих биологически активных веществ, выступают в качестве основы биологических мембран.

Липопротеиды входят в состав протоплазмы и пластид растительной клетки, в частности, хлоропластов.

В гликопротеидах роль простстичсской группы играет углевод, ковалентно связанный с функциональными группами аспаргина, треонина, серина, оксинролина или оксилизина. Гликопротеиды содержатся в животных организмах, растениях и микроорганизмах.

Природные гликопротеиды подразделяют на истинные (нейтральные) и мукопротеиды (кислые). В состав первых входят амино- углеводы. Например, запасный белок семян фасоли - вицилин - содержит маннозу и N-ацстилглюкозамин.

В структуре мукопротеидов наряду с аминоуглеводами обнаруживаются остатки гексуроновых кислот и сульфатов, которые придают субстрату кислый характер.

Среди гликопротеидов находятся ферменты (пероксидаза, глюко- зооксидаза), антибиотики (пропердин), гормоны (эритропоэтин), протекторы слизистой оболочки от расщепления ферментами (муцины).

К гликопротеидам относятся некоторые ядовитые белки растений (лицин, абрин), биологическое действие которых обусловлено тем, что они необратимо инактивируют рибосомы.

Нуклеопротеиды представляют собой комплексы простых белков с нуклеиновыми кислотами. Белковый компонент обычно состоит из гистонов или протаминов - щелочных белков. Хотя в качестве белковой части могут выступать и альбумины, имеющие кислый характер.

Нуклеотиды являются компонентами ядра, рибосом, митохондрий, включаются в структуру вирусов.

Молекулярная масса белковых молекул колеблется в широком интервале - от 6.000 (инулин) и 17.400 (альбумин молока) до 40.000.000 (вирус табачной мозаики), а изоэлектрическая точка (рГ) варьируется от 4,6 (фибриноген) до 10,6 (цитохром с). Гемоглобин человека характеризуется pi 6,4-7,2. Напомним, что изоэлектрическое состояние аминокислот, полипептидов и белков предполагает уравновешивание положительных и отрицательных зарядов фрагментов, связанных с одной макромолекулой (молекулой). Значение pH, при котором белок находится в изоэлектрическом состоянии, называется изоэлектрической точкой.

Большинство белков набухают и растворяются в воде, образуя коллоидные растворы (гидрофильные коллоиды, или растворы ВМС). Из водных растворов белки осаждаются нейтральными солями ((NHUbSC^, №зРС>4, Na2SC>4 и др.) и органическими растворителями (СН3ОН, С2Н5ОН). Суть высаливания заключается в разрушении сольватной оболочки, поддерживающей макромолекулу полимера «на плаву». Особенно легко белок осаждается в характерной для него изоэлектрической точке, что используется для разделения белковых смесей дробным осаждением.

Белки, как и аминокислоты, являются амфотерными соединениями - в кислой среде они проявляют себя как основания, а в щелочной - как кислоты. С амфотерными свойствами связано буферное действие белков, т.е. способность поддерживать в тканях и клетках организма постоянное р. В частности, в крови белковый буфер функционирует наряду с гемо- глобиновой, карбонатной и фосфатной буферными системами.

Под действием концентрированных кислот и щелочей, ионов тяжелых металлов, повышенных температур и других факторов происходит разрушение тонкой структуры (четвертичной, третичной и вторичной) белков и изменение их нативных свойств. Такое явление называется денатурацией. Приготовление яичницы - наглядный пример денатурации белка.

Вследствие нарушения структурной организации в процессе денатурации происходит развертывание полипептидных цепей белка, увеличивается вязкость раствора, облегчается процесс высаливания, становятся более доступными в стерическом плане и поэтому более реакционноспособными функциональные группы (-SH, -ОН, -S-S- и др.). Если процесс денатурации произошел неглубоко, то возможно самопроизвольное восстановление нативных свойств белка - реденатурации.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>