Основний амінокислотою є. «Амінокислоти будова, класифікація, властивості, біологічна роль

Білки становлять матеріальну основу хімічної діяльності клітини. Функції білків в природі універсальні. назвою білки,найбільш прийнятим у вітчизняній літературі, відповідає термін протеїни(Від грец. proteios- перший). До теперішнього часу досягнуті великі успіхи у встановленні співвідношення структури і функцій білків, механізму їх участі у важливих процесах життєдіяльності організму і в розумінні молекулярних основ патогенезу багатьох хвороб.

Залежно від молекулярної маси розрізняють пептиди і білки. Пептиди мають меншу молекулярну масу, ніж білки. Для пептидів більш властива регуляторна функція (гормони, інгібітори і активатори ферментів, переносники іонів через мембрани, антибіотики, токсини і ін.).

12.1. α -Амінокислоти

12.1.1. Класифікація

Пептиди і білки побудовані із залишків α-амінокислот. Загальна кількість зустрічаються в природі амінокислот перевищує 100, але деякі з них виявлені лише в певному співтоваристві орга низмов, 20 найбільш важливих α-амінокислот постійно зустрічаються у всіх білках (схема 12.1).

α-Амінокислоти - гетерофункціональних сполук, молекули яких містять одночасно аміногрупу і карбоксильну групу у одного і того ж атома вуглецю.

Схема 12.1.Найважливіші α-амінокислоти *

* Скорочені позначення застосовуються тільки для запису амінокислотних залишків в молекулах пептидів і білків. ** Білки.

Назви α-амінокислот можуть бути побудовані по замісній номенклатурі, але частіше використовуються їх тривіальні назви.

Тривіальні назви α-амінокислот зазвичай пов'язані з джерелами виділення. Серін входить до складу натурального шовку (від лат. serieus- шовковистий); тирозин вперше виділений з сиру (від грец. tyros- сир); глутамин - з злакової клейковини (від нім. Gluten- клей); аспарагінова кислота - з паростків спаржі (від лат. asparagus- спаржа).

Багато α-амінокислоти синтезуються в організмі. Деякі амінокислоти, необхідні для синтезу білків, в організмі не утворюються і повинні надходити ззовні. Такі амінокислоти називають незамінними(Див. Схему 12.1).

До незамінних α-амінокислот відносяться:

валін ізолейцин метіонін триптофан

лейцин лізин треонин фенілаланін

α-Амінокислоти класифікують декількома способами в залежності від ознаки, покладеної в основу їх поділу на групи.

Одним з класифікаційних ознак служить хімічна природа радикала R. За цією ознакою амінокислоти поділяються на аліфатичні, ароматичні і гетероциклічні (див. Схему 12.1).

аліфатичніα амінокислоти.Це найбільш численна група. Всередині неї амінокислоти поділяють із залученням додаткових класифікаційних ознак.

Залежно від числа карбоксильних груп і аміногруп в молекулі виділяють:

Нейтральні амінокислоти - по одній групі NH2 і СООН;

Основні амінокислоти - дві групи NH2 і одна група

СООН;

Кислі амінокислоти - одна група NH 2 і дві групи СООН.

Можна відзначити, що в групі аліфатичних нейтральних амінокислот число атомів вуглецю в ланцюзі не буває більше шести. При цьому не існує амінокислоти з чотирма атомами вуглецю в ланцюзі, а амінокісоти з п'ятьма і шістьма атомами вуглецю мають тільки розгалужене будова (валін, лейцин, ізолейцин).

В аліфатичні радикал можуть міститися «додаткові» функціональні групи:

Гідроксильна - серин, треонін;

Карбоксильная - аспарагінова і глутамінова кислоти;

Тіольний - цистеїн;

Амідна - аспарагін, глутамін.

ароматичніα амінокислоти.До цієї групи належать фенілаланін і тирозин, побудовані таким чином, що бензольні кільця в них відділені від загального α-амінокислотного фрагмента метиленової групою СН2-.

гетероциклічні α амінокислоти.Які стосуються цій групі гистидин і триптофан містять гетероцикли - імідазол і індол відповідно. Будова і властивості цих гетероциклів розглянуті нижче (див. 13.3.1; 13.3.2). Загальний принцип побудови гетероциклічних амінокислот такий же, як і ароматичних.

Гетероциклічні та ароматичні α-амінокислоти можна розглядати як β-заміщені похідні аланина.

До героцікліческім відноситься також амінокислота пролин,в якій вторинна аминогруппа включена до складу пірролідінових

У хімії α-амінокислот велика увага приділяється будові і властивостям «бічних» радикалів R, які відіграють важливу роль у формуванні структури білків і виконанні ними біологічних функцій. Велике значення мають такі характеристики, як полярність «бічних» радикалів, наявність в радикалах функціональних груп і здатність цих функціональних груп до іонізації.

Залежно від бокового радикала виділяють амінокислоти з неполярними(Гідрофобними) радикалами і амінокислоти c поляр- ними(Гідрофільними) радикалами.

До першої групи належать амінокислоти з аліфатичними бічними радикалами - аланін, валін, лейцин, ізолейцин, метіонін - і ароматичними бічними радикалами - фенілаланін, триптофан.

До другої групи належать амінокислоти, у яких в радикала є полярні функціональні групи, здатні до иони- зації (іоногенні) або нездатні переходити в іонну стан (неіоногенні) в умовах організму. Наприклад, в тирозин гідроксильна група іоногенні (має фенольний характер), в Серін - неіоногенні (має спиртову природу).

Полярні амінокислоти з йоногенних групами в радикалах в певних умовах можуть перебувати в іонному (аніони або катіонному) стані.

12.1.2. стереоізомерія

Основний тип побудови α-амінокислот, т. Е. Зв'язок одного і того ж атома вуглецю з двома різними функціональними групами, радикалом і атомом водню, вже сам по собі зумовлює хіраль- ність α-атома вуглецю. Виняток становить найпростіша амінокислота гліцин H2 NCH 2 COOH, яка не має центру хіральності.

Конфігурація α-амінокислот визначається по конфігураційному стандарту - гліцериновому альдегіду. Розташування в стандартній проекційної формулою Фішера аміногрупи зліва (подібно групі ОН в l-гліцериновому альдегіди) відповідає l-конфігурації, праворуч - d-конфігурації хіральних атома вуглецю. за R,S-системі α-атом вуглецю у всіх α-амінокислот l-ряду має S-, а у d-ряду - R-конфігурацію (виняток становить цистеїн, см. 7.1.2).

Більшість α-амінокислот містить в молекулі один асиметричний атом вуглецю і існує у вигляді двох оптично активних енантіомерів і одного оптично неактивного рацемату. Майже всі природні α-амінокислоти належать до l-ряду.

Амінокислоти изолейцин, треонін і 4-гидроксипролин містять в молекулі по два центри хіральності.

Такі амінокислоти можуть існувати у вигляді чотирьох стереоізомерів, що представляють собою дві пари енантіомерів, кожна з яких утворює рацемат. Для побудови білків тваринних організмів використовується тільки один з енантіомерів.

Стереоізомерія изолейцина аналогічна розглянутої раніше стереоизомерии треоніну (див. 7.1.3). З чотирьох стереоізомерів до складу білків входить l-ізолейцин з S-конфігурацією обох асиметричних атомів вуглецю С-α і С-β. У назвах іншої пари енантіомерів, що є діастереомер по відношенню до лейцину, використовується приставка алло.

Розщеплення рацематів. Джерелом отримання α-амінокислот l-ряду служать білки, які піддають для цього гідролітичного розщеплення. У зв'язку з великою потребою в окремих енантіомерів (для синтезу білків, лікарських речовин і т. П.) Розроблені хімічніметоди розщеплення синтетичних рацемічних амінокислот. кращий ферментативнийспосіб розщеплення з використанням ферментів. В даний час для поділу рацемічних сумішей використовують хроматографію на хіральних сорбентах.

12.1.3. Кислотно-основні властивості

Амфотерность амінокислот обумовлена \u200b\u200bкислотними (СООН) і основними (NH2) функціональними групами в їх молекулах. Амінокислоти утворюють солі як з лугами, так і з кислотами.

У кристалічному стані α-амінокислоти існують як диполярного іони H3N + - CHR-COO- (зазвичай використовується запис

будови амінокислоти в неионизированной формі служить лише для зручності).

У водному розчині амінокислоти існують у вигляді рівноважної суміші диполярного іона, катіонної та аніонної форм.

Положення рівноваги залежить від рН середовища. У всіх амінокислот переважають катіонні форми в сильнокислому (рН 1-2) і аніон- ні - в сільнощелочних (рН\u003e 11) середовищах.

Іонну будову обумовлює ряд специфічних властивостей амінокислот: високу температуру плавлення (вище 200 ° С), розчинність в воді і нерозчинність в неполярних органічних розчинниках. Здатність більшості амінокислот добре розчинятися у воді є важливим фактором забезпечення їх біологічного функціонування, з нею пов'язані всмоктування амінокислот, їх транспорт в організмі і т. П.

Повністю протонированная амінокислота (катионная форма) з позицій теорії Бренстеда є двухосновной кислотою,

Віддаючи один протон, така двухосновная кислота перетворюється в слабку одноосновними кислоту - диполярного іон з однієї кислотної групою NH3 + . Депротонування диполярного іона призводить до отримання анионной форми амінокислоти - карбоксилат-іона, що є підставою Бренстеда. значення характеризую-

щие кислотні властивості карбоксильної групи амінокислот, зазвичай лежать в інтервалі від 1 до 3; значення рk а2 характеризують кислотність аммониевой групи, - від 9 до 10 (табл. 12.1).

Таблиця 12.1.Кислотно-основні властивості найважливіших α-амінокислот

Положення рівноваги, т. Е. Співвідношення різних форм амінокислоти, у водному розчині при певних значеннях рН істотно залежить від будови радикала, головним чином від присутності в ньому йоногенних груп, що грають роль додаткових кислотних і основних центрів.

Значення рН, при якому концентрація диполярного іонів максимальна, а мінімальні концентрації катіонних і аніонних форм амінокислоти рівні, називаєтьсяізоелектричної точкою (P /).

нейтральніα амінокислоти.Ці амінокислоти мають значеннярІтрохи нижче 7 (5,5-6,3) внаслідок більшої здатності до іонізації карбоксильної групи під впливом - / - ефекту групи NH 2. Наприклад, у аланина ізоелектричної точка знаходиться при рН 6,0.

кисліα амінокислоти.Ці амінокислоти мають в радикал додаткову карбоксильну групу і в сильнокислой середовищі знаходяться в повністю протоновану формі. Кислі амінокислоти є триосновними (по Брёндстеду) з трьома значеннямирК а,як це видно на прикладі аспарагінової кислоти (р / 3,0).

У кислих амінокислот (аспарагінової та глутамінової) ізоелектричної точка знаходиться при рН багато нижче 7 (див. Табл. 12.1). В організмі при фізіологічних значеннях рН (наприклад, рН крові 7,3-7,5) ці кислоти знаходяться в анионной формі, так як у них іонізовані обидві карбоксильні групи.

Основніα амінокислоти.У разі основних амінокислот ізоелектричної точки знаходяться в області рН вище 7. У сильно- кислому середовищі ці сполуки також є триосновні кислоти, етапи іонізації яких показані на прикладі лізину (р / 9,8).

В організмі основні амінокислоти знаходяться в вигляді катіонів, т. Е. У них протоновану обидві аміногрупи.

В цілому жодна α-амінокислот in vivoне перебуває у своїй ізоелектричної точці і не потрапляє в стан, що відповідає найменшій розчинності в воді. Всі амінокислоти в організмі знаходяться в іонної формі.

12.1.4. Аналітично важливі реакції α -амінокислот

α-Амінокислоти як Гетерофункціональні з'єднання вступають в реакції, характерні як для карбоксильної, так і для аміногрупи. Деякі хімічні властивості амінокислот обумовлені функціональними групами в радикала. У цьому розділі розглядаються реакції, що мають практичне значення для ідентифікації і аналізу амінокислот.

Етерифікація.При взаємодії амінокислот з спиртами в присутності кислотного каталізатора (наприклад, газоподібний хлороводень) з хорошим виходом виходять складні ефіри у вигляді гидрохлоридов. Для виділення вільних ефірів реакційну суміш обробляють газоподібним аміаком.

Складні ефіри амінокислот не мають диполярного будови, тому, на відміну від вихідних кислот, вони розчиняються в органічних розчинниках і мають летючість. Так, гліцин - кріс- металевими речовина з високою температурою плавлення (292 ° С), а його метиловий ефір - рідина з температурою кипіння 130 ° С. Аналіз ефірів амінокислот можна проводити за допомогою газорідинної хроматографії.

Реакція з формальдегідом. Практичне значення має реакція з формальдегідом, яка лежить в основі кількісного визначення амінокислот методом формольного титрування(Метод Серенсена).

Амфотерность амінокислот не дозволяє проводити безпосередньо титрування їх лугом в аналітичних цілях. При взаємодії амінокислот з формальдегідом виходять відносно стійкі аміноспірти (див. 5.3) - N-гідроксиметильного похідні, вільну карбоксильну групу яких потім титрують лугом.

Якісні реакції. Особливість хімії амінокислот і білків полягає в використанні численних якісних (кольорових) реакцій, які становлять раніше основу хімічного аналізу. В даний час, коли дослідження проводяться за допомогою фізико-хімічних методів, багато якісні реакції продовжують застосовувати для виявлення α-амінокислот, наприклад, в хроматографическом аналізі.

Хелатообразованіе. З катіонами важких металів α-амінокислоти як біфункціональні з'єднання утворюють внутрішньокомплексні солі, наприклад, з свіжоприготований гідроксидом міді (11) в м'яких умовах виходять добре кристалізуються хелатні

солі міді (11) синього кольору (один з неспецифічних способів виявлення α-амінокислот).

Нингидрина реакція. Загальна якісна реакція α-амінокислот - реакція з нингидрином. Продукт реакції має сінефіолетовий колір, що використовується для візуального виявлення амінокислот на хроматограмах (на папері, в тонкому шарі), а також для спектрофотометричного визначення на амінокислотних аналізаторах (продукт поглинає світло в області 550-570 нм).

Дезамінування. У лабораторних умовах ця реакція здійснюється при дії азотистої кислоти на α-амінокислоти (див. 4.3). При цьому утворюється відповідна α-гідроксикислота і виділяється газоподібний азот, за обсягом якого судять про кількість вступила в реакцію амінокислоти (метод Ван-Слайка).

Ксантопротеиновая реакція. Ця реакція використовується для виявлення ароматичних і гетероциклічних амінокислот - фенілаланіну, тирозину, гістидину, триптофану. Наприклад, при дії концентрованої азотної кислоти на тирозин утворюється нітропохідними, забарвлене в жовтий колір. У лужному середовищі забарвлення стає помаранчевої в зв'язку з іонізацією фенольной гідроксильної групи і збільшенням внеску аниона в сполучення.

Існує також ряд приватних реакцій, що дозволяють виявляти окремі амінокислоти.

триптофанвиявляють за допомогою реакції з п-(диметиламіно) бензальдегідом в середовищі сірчаної кислоти по що з'являється червоно-фіолетового фарбування (реакція Ерліха). Ця реакція використовується для кількісного аналізу триптофану в продуктах розщеплення білків.

цистеїнвиявляють за допомогою декількох якісних реакцій, заснованих на реакційної здатності міститься в ньому меркаптогрупи. Наприклад, при нагріванні розчину білка з ацетатом свинцю (СНзСОО) 2РЬ в лужному середовищі утворюється чорний осад сульфіду свинцю PbS, що вказує на присутність в білках цистеїну.

12.1.5. Біологічно важливі хімічні реакції

В організмі під дією різних ферментів здійснюється ряд важливих хімічних перетворень амінокислот. До таких пре- обертанням відносяться трансамінування, декарбоксилювання, елімінування, альдольної розщеплення, окислювальне дезамінування, окислення тіольний груп.

трансамінування є основним шляхом біосинтезу α-амі- нокіслот з α-оксокислот. Донором аміногрупи служить амінокислота, що є в клітинах в достатній кількості або надлишку, а її акцептором - α-оксокислот. Амінокислота при цьому перетворюється в оксокислот, а оксокислот - в амінокислоту з відповідним будовою радикалів. В результаті трансамінування представляє оборотний процес взаємообміну амино- і оксо- груп. Приклад такої реакції - отримання l-глутамінової кислоти з 2-оксоглутаровой кислоти. Донорной амінокислотою може служити, наприклад, l-аспарагінова кислота.

α-Амінокислоти містять в α-положенні до карбоксильної групі електроноакцепторну аміногрупу (точніше, протоновану аминогруппу NH3 +), в зв'язку з чим здатні до декарбоксилюванню.

Елімінуваннявластиво амінокислотам, у яких в бічному радикала в β-положенні до карбоксильної групі міститься електроноакцепторні функціональна група, наприклад гидроксильная або тіольний. Їх відщеплення призводить до проміжних реакционноспособним α-енамінокіслотам, легко переходить в таутомерні імінокіслоти (аналогія з кето-енольной таутомерією). α-Імінокіслоти в результаті гідратації по зв'язку C \u003d N і подальшого відщеплення молекули аміаку перетворюються в α-оксокислоти.

Такий тип перетворень має назву елімінування-гідратація.Прикладом служить отримання піровиноградної кислоти з серину.

альдольної розщеплення відбувається в разі α-амінокислот, у яких в β-положенні міститься гідроксильна група. Наприклад, серин розщеплюється з утворенням гліцину і формальдегіду (останній не виділяється у вільному вигляді, а відразу зв'язується з коферментом).

окислювальне дезамінування може здійснюватися за участю ферментів і коферменту НАД + або НАДФ + (див. 14.3). α-Амінокислоти можуть перетворюватися в α-оксокислоти не тільки через трансамінування, а й шляхом окисного дезамінування. Наприклад, з l-глутамінової кислоти утворюється α-оксоглутаровая кислота. На першій стадії реакції здійснюється дегід- рірованіі (окислення) глутамінової кислоти до α-іміноглутаровой

кислоти. На другій стадії відбувається гідроліз, в результаті якого виходять α-оксоглутаровая кислота та аміак. Стадія гідролізу протікає без участі ферменту.

У зворотному напрямку протікає реакція відновного амінування α-оксокислот. Завжди міститься в клітинах α-оксоглутаровая кислота (як продукт метаболізму вуглеводів) перетворюється цим шляхом в L-глутамінової кислоти.

Окислення тіольний груп лежить в основі взаємоперетворення цистеїнових і цистинових залишків, що забезпечують ряд окислювально-відновних процесів в клітині. Цистеїн, як і всі Меркаптани (див. 4.1.2), легко окислюється з утворенням дисульфіду - цистину. Дисульфідний зв'язок в цистині легко відновлюється з утворенням цистеїну.

Завдяки здатності тіольної групи до легкого окислення цистеїн виконує захисну функцію при впливі на орга- нізм речовин з високою окисної здатністю. Крім того, він був першим лікарським засобом, що виявили противолучевое дію. Цистеїн використовується у фармацевтичній практиці як стабілізатор лікарських препаратів.

Перетворення цистеїну в цистин призводить до утворення дисульфідних зв'язків, наприклад, в відновленого глутатіону

(Див. 12.2.3).

12.2. Первинна структура пептидів і білків

Умовно вважають, що пептиди містять в молекулі до 100 (що відповідає молекулярній масі до 10 тис.), А білки - понад 100 амінокислотних залишків (молекулярна маса від 10 тис. До декількох мільйонів).

У свою чергу, в групі пептидів прийнято розрізняти олігопептиди(Низькомолекулярні пептиди), що містять у ланцюзі не більше 10 амінокислотних залишків, і поліпептиди,до складу ланцюга яких входить до 100 амінокислотних залишків. Макромолекули з числом амінокислотних залишків, що наближається або трохи перевищує 100, не розмежовують за поняттями поліпептиди і білки, ці терміни часто використовують як синоніми.

Пептидную і білкову молекулу формально можна уявити як продукт поліконденсації α-амінокислот, що протікає з обра- зованием пептидного (амидной) зв'язку між мономірні ланками (схема 12.2).

Конструкція поліамідної ланцюга однакова для всього різноманіття пептидів і білків. Цей ланцюг має нерозгалужене будову і складається з чергуються пептидних (амідних) груп СО-NH- і фрагментів -CH (R) -.

Один кінець ланцюга, на якому знаходиться амінокислота з вільною групою NH2, називають N-кінцем, інший - С-кінцем,

Схема 12.2.Принцип побудови пептидного ланцюга

на якому знаходиться амінокислота з вільною групою СООН. Пептидні і білкові ланцюги записують з N-кінця.

12.2.1. Будова пептидної групи

У пептидного (амидной) групі СО-NH- атом вуглецю знаходиться в стані sp2-гібридизації. Неподіленої пари електронів атома азоту вступає в пару з π-електронами подвійного зв'язку С \u003d О. З позицій електронної будови пептидная група являє собою трехцентровую p, π-пов'язану систему (див. 2.3.1), електронна щільність в якій зміщена в бік більш електронегативного атома кисню. Атоми С, Оі N, що утворюють сполучену систему, знаходяться в одній площині. Розподіл електронної щільності в амідній групі можна уявити з по- міццю граничних структур (I) і (II) або зміщення електронної густини в результаті + M- і - M-ефектів груп NH і C \u003d O відповідно (III).

В результаті сполучення відбувається деяке вирівнювання довжин зв'язків. Подвійний зв'язок С \u003d О подовжується до 0,124 нм проти звичайної довжини 0,121 нм, а зв'язок С-N стає коротшим - 0,132 нм в порівнянні з 0,147 нм в звичайному випадку (рис. 12.1). Плоска сполучена система в пептидного групі спричиняє труднощі обертання навколо зв'язку С-N (бар'єр обертання становить 63-84 кДж / моль). Таким чином, електронна будова предопре- деляет досить жорстку плоскуструктуру пептидного групи.

Як видно з рис. 12.1, α-атоми вуглецю амінокислотних залишків розташовуються в площині пептидного групи по різні боки від зв'язку С-N, т. Е. В більш вигідному тpанс-положенні: бічні радикали R амінокислотних залишків в цьому випадку будуть найбільш віддалені один від одного в просторі.

Поліпептидний ланцюг має дивно однотипну будову і може бути представлена \u200b\u200bу вигляді ряду розташованих під кутом один

Мал. 12.1.Площинне розташування пептидного групи -CO-NH- і α-атомів вуглецю амінокислотних залишків

до одного площин пептидних груп, з'єднаних між собою через α-атоми вуглецю зв'язками Сα-N і Сα-Сsp2 (Рис. 12.2). Обертання навколо цих одинарних зв'язків вельми обмежена внаслідок труднощів в просторовому розміщенні бічних радикалів амінокислотних залишків. Таким чином, електронна і просторова будова пептидного групи багато в чому зумовлює структуру поліпептидного ланцюга в цілому.

Мал. 12.2.Взаємне положення площин пептидних груп в поліпептидного ланцюга

12.2.2. Склад і амінокислотна послідовність

При одноманітно побудованої поліамідної ланцюга специфічність пептидів і білків визначається двома найважливішими характе- тиками - амінокислотним складом і амінокислотною послідовністю.

Амінокислотний склад пептидів і білків - це природа і кількісне співвідношення входять до них α-амінокислот.

Амінокислотний склад встановлюється шляхом аналізу пептидних і білкових гідролізатів в основному хроматографічних методами. В даний час такий аналіз здійснюється за допомогою амінокислотних аналізаторів.

Амідні зв'язку здатні гідролізувати як в кислому, так і лужному середовищі (див. 8.3.3). Пептиди і білки гідролізуються з утворенням або більш коротких ланцюгів - це так званий частковий гідроліз,або суміші амінокислот (в іонної формі) - повний гідроліз.Зазвичай гідроліз здійснюють у кислому середовищі, так як в умовах лужного гідролізу багато амінокислоти нестійкі. Слід зазначити, що гідролізу піддаються також амідні групи аспарагина і глутаміну.

Первинна структура пептидів і білків - це амінокислотна послідовність, т. Е. Порядок чергування α-амінокислотних залишків.

Первинну структуру визначають шляхом послідовного відщеплення амінокислот з будь-якого кінця ланцюга і їх ідентифікації.

12.2.3. Будова і номенклатура пептидів

Назви пептидів будують шляхом послідовного перерахування амінокислотних залишків, починаючи з N-кінця, з додаванням суфіксаіл, крім останньої С-кінцевої амінокислоти, для якої зберігається її повна назва. Іншими словами, назви

амінокислот, що вступили в освіту пептидного зв'язку за рахунок «своєї» групи СООН, закінчуються в назві пептиду на іл: аланіл, валив і т. п. (для залишків аспарагінової і глутамінової кислот використовують назви «аспартам» і «глутаміл» соответствен- але). Назви і символи амінокислот означають їх приналежність доl -Поруч, якщо не вказано інше (d або dl).

Іноді в скороченою записи символами Н (як частина аміногрупи) і ОН (як частина карбоксильної групи) уточнюється вакантної функціональних груп кінцевих амінокислот. Цим способом зручно зображувати функціональні похідні пептидів; наприклад, амід наведеного вище пептиду по С-кінцевий амінокислоті записується Н-Asn-Gly-Phe-NH2.

Пептиди містяться у всіх організмах. На відміну від білків вони мають більш різнорідний амінокислотний склад, в частнос- ти, досить часто включають амінокислотиd -ряду. У структурному відношенні вони також більш різноманітні: містять циклічні фрагменти, розгалужені ланцюги і т. Д.

Один з найбільш поширених представників тріпептідов - глутатіон- міститься в організмі всіх тварин, в рослинах і бактеріях.

Цистеїн в складі глутатіону обумовлює можливість існування глутатіону як у відновленій, так і окисленої формі.

Глутатіон бере участь в окисно-відновних процесів. Він виконує функцію протектора білків, т. Е. Речовини, що оберігає білки з вільними тіольний групами SH від окислення з утворенням дисульфідних зв'язків -S-S-. Це стосується тих білків, для яких такий процес небажаний. Глутатіон в цих випадках приймає на себе дію окислювача і таким чином «захищає» білок. При окисленні глутатіону відбувається межмолекулярное зшивання двох тріпептідная фрагментів за рахунок дисульфідній зв'язку. Процес звернемо.

12.3. Вторинна структура поліпептидів і білків

Для високомолекулярних поліпептидів і білків поряд з первинною структурою характерні і більш високі рівні организа- ції, які називають вторинної, третинноїі четвертичнойструк турами.

Вторинна структура описується просторовою орієнтацією основний поліпептидного ланцюга, третинна - тривимірної архітектурою всієї білкової молекули. Як вторинна, так і третинна структура пов'язана з упорядкованим розташуванням макромолекулярной ланцюга в просторі. Третинна і четвертинна структура білків розглядається в курсі біохімії.

Розрахунковим шляхом було показано, що для поліпептидного ланцюга однієї з найбільш вигідних конформацій є розташування в просторі у вигляді правозакрученной спіралі, названою α-спіраллю(Рис. 12.3, а).

Просторове розташування α-спіраль поліпептидного ланцюга можна уявити, уявивши, що вона обвиває якийсь

Мал. 12.3.α-Спіральна конформація поліпептидного ланцюга

циліндр (див. рис. 12.3, б). На один виток спіралі в середньому припадає 3,6 амінокислотного залишку, крок спіралі складає 0,54 нм, діаметр - 0,5 нм. Площині двох сусідніх пептидних груп розташовуються при цьому під кутом 108 ?, а бічні радикали амінокислот знаходяться на зовнішній стороні спіралі, т. Е. Спрямовані як би від поверхні циліндра.

Основну роль в закріпленні такої конформації ланцюга грають водневі зв'язки, які в α-спіралі утворюються між кар- бонільним атомом кисню кожного першого і атомом водню N Н-групи кожного п'ятого амінокислотного залишку.

Водневі зв'язки спрямовані майже паралельно осі α-спіралі. Вони утримують ланцюг в закрученому стані.

Зазвичай білкові ланцюги спіралізують в повному обсязі, а лише частково. У таких білках, як міоглобін і гемоглобін, містяться досить довгі α-спіральні ділянки, наприклад ланцюг міоглобіну

утворює спіраль на 75%. У багатьох інших білках частка спіральних ділянок в ланцюзі може бути невеликою.

Іншим видом вторинної структури поліпептидів і білків є β-структура,звана також складчастим листом,або складчастим шаром.У складчасті листи укладаються витягнуті поліпептидні ланцюги, які пов'язують безліччю водневих зв'язків між пептидними групами цих ланцюгів (рис. 12.4). У багатьох білках одночасно містяться α-спіральні і β-складчасті структури.

Мал. 12.4.Вторинна структура поліпептидного ланцюга у вигляді складчастого листа (β-структура)

Сучасно протеиновое харчування неможливо уявити без розгляду ролі окремих амінокислот. Навіть при загальному позитивному протеїновому балансі організм тварини може відчувати брак протеїну. Це пов'язано з тим, що засвоєння окремих амінокислот взаємопов'язане в один одним, недолік або надлишок однієї амінокислоти може призводити до нестачі іншого.
Частина амінокислот не синтезується в організмі людини і тварин. Вони отримали назву незамінних. Таких амінокислот всього десять. Чотири з них є критичними (лімітують) - вони найчастіше обмежують ріст і розвиток тварин.
У раціонах для птиці головними лимитирующими амінокислотами є метіонін і цистин, в раціонах для свиней - лізин. Організм повинен отримувати достатню кількість головною лимитирующей кислоти з кормом для того, щоб і інші амінокислоти могли ефективно використовуватися для синтезу білка.

Цей принцип ілюстрований «бочкою Лібіха», де рівень заповнення бочки є рівень синтезу протеїну в організмі тварини. Найкоротша дошка в бочці «обмежує» можливість утримання в ній рідини. Якщо ж ця дошка буде подовжена, то і обсяг утримуваної в бочці рідини збільшиться до рівня другої лимитирующей дошки.
Найважливіший фактор, що визначає продуктивність тварин, - це збалансованість містяться в ньому амінокислот відповідно до фізіологічних потреб. Численними дослідженнями було доведено, що у свиней, залежно від породи і статі, потреба в амінокислотах відрізняється кількісно. А ось ставлення незамінних амінокислот для синтезу 1 г протеїну є однаковим. Таке співвідношення незамінних амінокислот до лізину, як основний лимитирующей амінокислоті, і називається «ідеальним протеїном» або «ідеальним профілем амінокислот». (

лізин

входить до складу практично всіх білків тваринного, рослинного і мікробного походження, проте протеїни злакових культур бідні на лізин.

Лізин регулює відтворну функцію, при його нестачі порушується утворення сперміїв і яйцеклітин.
Необхідний для росту молодняка, освіти тканинних білків. Лізин бере участь в синтезі нуклеопротеїдів, хромопротеидов (гемоглобін), тим самим регулює пігментацію шерсті тварин. Регулює кількість продуктів розпаду білка в тканинах і органах.
Сприяє всмоктуванню кальцію
Бере участь у функціональній діяльності нервової і ендокринної систем, регулює обмін білків і вуглеводів, проте реагуючи з вуглеводами, лізин переходить в недоступну для засвоєння форму.
Лізин є вихідною речовиною при утворенні карнітину, що грає важливу роль в жировому обміні.

Метіонін і цистин сірковмісні амінокислоти. При цьому метіонін може трансформуватися в цистин, тому ці амінокислоти нормуються разом, а при нестачі в раціон вводяться метіонінових добавки. Обидві ці амінокислоти беруть участь в утворенні похідних шкіри - волосся, пера; разом з вітаміном Е регулюють видалення надлишків жиру з печінки, необхідні для росту і розмноження клітин, еритроцитів. При нестачі метіоніну цистин неактивний. Однак значного надлишку метіоніну в раціоні не слід допускати.

метіонін

сприяє відкладенню жиру в м'язах, необхідний для утворення нових органічних сполук холіну (вітаміну В4), креатину, адреналіну, ніацину (вітаміну В5) і ін.
Дефіцит метіоніну в раціонах призводить до зниження рівня плазмових білків (альбумінів), викликає анемію (знижується рівень гемоглобіну крові), при одночасному нестачі вітаміну Е і селену сприяє розвитку м'язової дистрофії. Недостатня кількість метіоніну в раціоні викликає відставання в рості молодняку, втрату апетиту, зниження продуктивності, збільшення витрат корму, жирове переродження печінки, порушення функцій нирок, анемію і виснаження.
Надлишок метіоніну погіршує використання азоту, викликає дегенеративні зміни в печінці, нирках, підшлунковій залозі, збільшує потребу в аргінін, гліцин. При великому надлишку метіоніну спостерігається дисбаланс (порушується рівновага амінокислот, в основі якого лежать різкі відхилення від оптимального співвідношення незамінних амінокислот в раціоні), який супроводжується порушенням обміну речовин і гальмуванням швидкості росту у молодняка.
Цистин - сірковмісна амінокислота, взаємозамінний із метіоніном, бере участь в окисно-відновних процесах, обміні білків, вуглеводів і жовчних кислот, сприяє утворенню речовин, що знешкоджують отрути кишечника, активізує інсулін, разом з триптофаном цистин бере участь в синтезі в печінці жовчних кислот, необхідних для всмоктування продуктів переварювання жирів з кишечника, використовується для синтезу глютатіону. Цистин має здатність поглинати ультрафіолетові промені. При нестачі цистину відзначається цироз печінки, затримка оперяемості і зростання пера у молодняка, ламкість і випадання (вищипування) пір'я у дорослої птиці, зниження опірності до інфекційних захворювань.

триптофан

визначає фізіологічну активність ферментів травного тракту, окислювальних ферментів в клітинах і ряду гормонів, бере участь в оновленні білків плазми крові, обумовлює нормальне функціонування ендокринного і кроветворного апаратів, статевої системи, синтез гамма - глобулінів, гемоглобіну, нікотинової кислоти, очного пурпура та ін. При нестачі в раціоні триптофану сповільнюється ріст молодняку, знижується несучість несучок, підвищуються витрати корму на продукцію, атрофуються ендокринні та статеві залози, виникає сліпота, розвивається анемія (знижується кількість еритроцитів і рівень гемоглобіну в крові), знижується резистентність і імунні властивості організму, запліднене і виводимість яєць . У свиней, які отримували раціон, бідний триптофан, знижується споживання корму, з'являється збочений апетит, огрубіння щетини і виснаження, відзначається ожиріння печінки. Дефіцит цієї амінокислоти приводить також до стерильності, підвищеній збудливості, конвульсій, утворення катаракти, негативного балансу азоту і втрати живої маси. Триптофан, будучи попередником (провітамін) нікотинової кислоти, попереджає розвиток пелагри.

ЛІПІДИ

Ліпіди - нерозчинні у воді маслянисті або жирні речовини, які можуть бути екстрагованих з клітин неполярними розчинниками. Це гетерогенна група з'єднань, безпосередньо або опосередковано пов'язаних з жирними кислотами.

Біологічні функції ліпідів:

1) джерело енергії, який може довго запасатися;

2) участь в утворенні клітинних мембран;

3) джерело жиророзчинних вітамінів, сигнальних молекул і незамінний-мих жирних кислот;

4) теплоізоляція;

5) неполярні ліпіди служать електроізолятор, забезпечуючи швидке поширення хвиль деполяризації вздовж міелінізірованних нервових волокон;

6) участь в утворенні ліпопротеїдів.

Жирні кислоти - структурні компоненти більшості ліпідів. Це довголанцюгові органічні кислоти, що містять від 4 до 24 вуглецевих атомів, вони містять одну карбоксильну групу і довгий неполярний вуглеводневий «хвіст». У клітинах невідомі у вільному стані, а тільки в ковалентно пов'язаної формі. До складу природних жирів входять зазвичай жирні кислоти з парним числом атомів вуглецю, оскільки вони синтезуються з двууглеродних одиниць, які базують неразветвленную ланцюг вуглецевих атомів. Багато жирні кислоти мають одну або кілька подвійних зв'язків - ненасичені жирні кислоти.

Найбільш важливі жирні кислоти (після формули наведено число атомів вуглецю, назва, температура плавлення):

12, лауриновая, 44,2 о С

14, миристиновая, 53,9 о С

16, пальмітинова, 63,1 о С

18, стеаринова, 69,6 о С

18, оленів, 13,5 о С

18, лінолева, -5 ° С

18, ліноленова, -11 ° С

20, арахідонової, -49,5 ° С

Загальні властивості жирних кислот;

Майже всі містять парне число атомів вуглецю,

Насичені кислоти у тварин і рослин зустрічаються в два рази частіше, ніж ненасичені,

Насичені жирні кислоти не мають жорсткої лінійної структури, вони мають велику гнучкість і можуть приймати різноманітні конформації,

У більшості жирних кислот наявна подвійна зв'язок розташована між 9-м і 10-м атомами вуглецю (Δ 9),

Додаткові подвійні зв'язку зазвичай розташовані між Δ 9 -Подвійний зв'язком і метильних кінцем ланцюга,

Дві подвійні зв'язку в жирних кислотах не бувають сполученими, між ними завжди знаходиться метиленовая група,

Подвійні зв'язку практично всіх природних жирних кислот знаходяться в цис-конформаціі, що призводить до сильного вигину алифатической ланцюга і жорсткішого будовою,

При температурі тіла насичені жирні кислоти знаходяться в твердому воскообразная стані, а ненасичені жирні кислоти є рідинами,

Натрієві і калієві мила жирних кислот здатні емульгувати нерозчинні в воді масла і жири, кальцієві і магнієві мила жирних кислот розчиняються дуже погано і не емульгують жирів.

У мембранних ліпідах бактерій зустрічаються незвичайні жирні кислоти і спирти. Багато з бактеріальних штамів, що містять ці ліпіди (термофіли, Ацидофіли і галлофіли), адаптовані до екстра-ною умов.

ізоразветвленние

антеізоразветвленние

ціклопропансодержащіе

ω-ціклогексілсодержащіе

ізопранільние

ціклопентанфітанільние

Склад бактеріальних ліпідів відрізняється великою різноманітністю і спектр жирних кислот різних видів набув значення таксономічного критерію для ідентифікації організмів.

У тварин важливими похідними арахідонової кислоти є гістогормони простагландини, тромбоксани і лейкотрієни, об'єднані в групу ейкозаноїдів і володіють надзвичайно широкою біологічною активністю.

простагландин Н 2

Класифікація ліпідів:

1. триацилгліцеридів (Жири) - це ефіри спирту гліцерину і трьох молекул жирних кислот. Вони складають основний компонент жирових депо рослинних і тваринних клітин. У мембранах не містяться. Прості триацилгліцеридів містять залишки однакових жирних кислот у всіх трьох положеннях (тристеарин, трипальмитин, триолеїн). Змішані містять різні жирні кислоти. За питомою вагою легше води, добре розчинні в хлороформі, бензолі, ефірі. Гідролізуються при кип'ятінні з кислотами або підставами, або під дією ліпази. У клітинах в звичайних умовах самоокислення ненасичених жирів повністю загальмовано завдяки наявності вітаміну Е, різних ферментів і аскорбінової кислоти. У спеціалізованих клітинах сполучної тканини тварин адипоцитах величезна кількість триацилгліцеридів може запасатися у вигляді жирових крапель, що заповнюють майже весь обсяг клітини. У формі глікогену організм може запасти енергію не більше ніж на добу. Триацилгліцеридів можуть запасати енергію на місяці, так як вони можуть зберігатися в дуже великих кількостях в практично чистому, негідратірованном вигляді і в розрахунку на одиницю ваги в них запасається в два рази більше енергії, ніж у вуглеводах. Крім того, триацилгліцеридів під шкірою утворюють теплоізоляційний шар, що захищає організм від дії дуже низьких температур.

нейтральний жир

Для характеристики властивостей жиру використовують такі константи:

Кислотне число - кількість мг КОН, необхідне для нейтралізації

вільних жирних кислот, що містяться в 1 г жиру;

Число омилення - кількість мг КОН, необхідне для гідролізу

нейтральних ліпідів і нейтралізації всіх жирних кислот,

Йодне число - кількість грамів йоду, яке пов'язується з 100 г жиру,

характеризує ступінь ненасиченості даного жиру.

2. воску - це складні ефіри, утворені довголанцюгових жирними кислотами і довголанцюгових спиртами. У хребетних тварин секретуються шкірними залозами воску виконують функцію захисного покриття, яке змащує і пом'якшує шкіру, а також оберігає її від води. Восковим шаром покриті волосся, шерсть, хутро, пір'я тварин, а також листя багатьох рослин. Воску виробляються і ис-користуються в дуже великих кількостях морськими організмами, особливо планктоном, у якого вони є основною формою накопичення висококалорійного клітинного палива.

спермацет, отримують з головного мозку кашалотів

бджолиний віск

3. Фосфогліцероліпіди - служать головними структурними компонентами мембран і ніколи не запасаються в великих кількостях. Обов'язково містять в своєму складі багатоатомний спирт гліцерин, фосфорну кислоту і залишки жирних кислот.

Фосфогліцероліпіди за хімічною будовою можна ще розділити на кілька типів:

1) фосфоліпіди - складаються з гліцерину, двох залишків жирних кислот по 1-му і 2-му положенню гліцерину і залишку фосфорної кислоти, з якою пов'язаний залишок ще одного спирту (етаноламін, холін, серин, інозитол). Як правило, жирна кислота в 1-му положенні насичена, а в 2-му - ненасичена.

фосфатидними кислота - вихідна речовина для синтезу інших фосфоліпідів, в тканинах міститься в незначних кількостях

фосфатіділетаноламін (Кефалінія)

фосфатидилхолин (лецитин), його практично немає в бактеріях

фосфатіділсерін

фосфатидилинозитол - попередник двох важливих вторинних месенджерів (посередників) діацілгліцерін і інозитол-1,4,5-трифосфату

2) плазмалогени - фосфогліцероліпіди, у яких одна з вуглеводні-рідних ланцюгів є простим вініловий ефір. Плазмалогени невідомі в рослинах. Етаноламіновие плазмалогени широко представлені в мієліну і в саркоплазматическом ретикулуме серця.

етаноламінплазмалоген

3) лізофосфоліпіди - утворюються з фосфоліпідів при ферментатів-ном відщепленні одного з ацильних залишків. У зміїному отруті міститься фосфолипаза А 2, яка утворює лізофосфатіди, що володіють гемолітичним дією;

4) кардіоліпін - фосфоліпіди внутрішніх мембран бактерій і мито-Хондрит, утворюються при взаємодії з гліцерином двох залишків фосфатидного кислоти:

кардиолипин

4. Фосфосфінголіпіди - функції гліцерину в них виконує сфингозин - аміноспирт з довгою алифатической ланцюгом. Не містять гліцерину. У великій кількості присутні в мембранах клітин нервової тканини і мозку. У мембранах рослинних і бактеріальних клітин фосфосфінголіпіди зустрічаються рідко. Похідні сфингозина, ацілірованная по аминогруппе залишками жирних кислот, називаються церамідамі. Найважливіший представник цієї групи - сфингомиелин (церамід-1-фосфохолін). Він присутній в більшості мембран тваринних клітин, особливо багато його в мієлінових оболонках нервових клітин певного типу.

сфингомиелин

сфингозин

5. Глікогліцероліпіди -ліпіди, у яких в положенні 3 гліцерину знаходиться вуглевод, приєднаний за допомогою гликозидной зв'язку, фосфатної групи не містять. Глікогліцероліпіди широко представлені в мембранах хлоропластів, а також в синьо-зелених водоростях і бактеріях. Моногалактозілдіацілгліцерол - найбільш поширений в природі полярний липид, оскільки на його частку припадає половина всіх ліпідів тілакоідной мембрани хлоропластів:

моногалактозілдіацілгліцерол

6. гликосфинголипидов- побудовані з сфингозина, залишку жирної кислоти і олігосахариду. Містяться у всіх тканинах, головним чином в зовнішньому липидном шарі плазматичних мембран. У них відсутня фосфатна група і вони не несуть електричного заряду. Гликосфинголипидов можна розділити ще на два типи:

1) цереброзидів - більш прості представники цієї групи. Галактоцереброзіди містяться головним чином в мембранах клітин мозку, тоді як глюкоцереброзідов присутні в мембранах інших клітин. Цереброзидів, що містять два, три або чотири залишку цукрів, локалізуються в основному в зовнішньому шарі клітинних мембран.

галактоцереброзід

2) гангліозиди - найбільш складні гликосфинголипидов. Їх дуже великі полярні голови утворені декількома залишками цукрів. Для них характерна наявність в крайньому положенні одного або декількох залишків N-ацетілнейраміновой (сиаловой) кислоти, що несе при рН 7 негативний заряд. У сірій речовині головного мозку гангліозиди складають близько 6% мембранних ліпідів. Гангліозид - важливі компоненти розташованих на поверхні клітинних мембран специфічних рецепторних ділянок. Так вони знаходяться в тих специфічних ділянках нервових закінчень, де відбувається зв'язування молекул нейромедіатора в процесі хімічної передачі імпульсу від однієї нервової клітини до іншої.

7. ізопреноїди - похідні ізопрену (активна форма - 5-ізопенте-нілдіфосфат), що виконують найрізноманітніші функції.

изопрен 5-ізопентенілдіфосфат

Здатність синтезувати специфічні ізопреноїди властива лише деяким видам тварин і рослин.

1) каучук - синтезують кілька видів рослин, в першу чергу гевея бразильська:

фрагмент каучуку

2) жиророзчинні вітаміни А, D, Е, К (через структурного і функ-ціонального спорідненості із стероїдними гормонами вітамін D зараз відносять до гормонів):

вітамін А

вітамін Е

вітамін К

3) гормони росту тварин - ретиноевая кислота у хребетних і невід-Ніни у комах:

ретиноевая кислота

неотенін

Ретиноєва кислота є гормональним похідним вітаміну А, стимулює зростання і диференціацію клітин, неотеніни - гормони комах, стимулюють зростання личинок і гальмують линьку, є антагоністами екдізони;

4) рослинні гормони - абсцизовая кислота, є стресовим фітогормоном, що запускає системний імунну відповідь рослин, що виявляється в стійкості до різних патогенів:

абсцизовая кислота

5) терпени - численні запашні речовини і ефірні масла рослин, які мають бактерицидну і фунгіцидну дію; з'єднання з двох ланок ізопренів називаються монотерпенов, з трьох - сеськвітерпенов, з шести - тритерпенами:

камфора тимол

6) стероїди - складні жиророзчинні речовини, молекули яких містять в своїй основі циклопентанпергідрофенантрену (за своєю суттю - тритерпен). Основний стерол в тканинах тварин - спирт холестерин (холестерол). Холестерин і його ефіри з довголанцюгових жирними кислотами - важливі компоненти ліпопротеїнів плазми, а також зовнішньої клітинної мембрани. Через те, що чотири конденсованих кільця створюють жорстку структуру, присутність холестерину в мембра-нах регулює плинність мембран при екстремальних температурах. У рослинах і мікроорганізмах містяться споріднені сполуки - ергостерину, стигмастерин і β-ситостерин.

холестерин

ергостерину

стигмастерин

β-ситостерин

З холестерину в організмі утворюються жовчні кислоти. Вони забезпечують розчинність холестерину в жовчі і сприяють перетравленню ліпідів в кишечнику.

холевая кислота

З холестерину утворюються також стероїдні гормони - ліпофільні сигнальні молекули, які регулюють обмін речовин, ріст і репродуктивних-цію. В організмі людини основними є шість стероїдних гормонів:

кортизол альдостерон

тестостерон естрадіол

прогестерон кальцитриол

Кальцитриол - вітамін D, що володіє гормональною активністю, він відрізняється від гормонів хребетних, проте також побудований на основі холестерину. Кільце У розкривається за рахунок світлозалежна реакції.

Похідним холестерину є гормон линьки комах, павуків і ракоподібних - екдизон. Стероїдні гормони, які виконують сигнальну функцію, зустрічаються також в рослинах.

7) ліпідні якоря, утримують молекули білків або інших з'єднань на мембрані:

убихинон

Як ми бачимо, ліпіди не є полімерами в буквальному сенсі цього слова, проте як в метаболічному, так і в структурному відношенні вони близькі до присутньої в бактеріях поліоксімасляной кислоті - важливого запасного речовини. Цей сильно відновлений полімер складається виключно з ланок D-β-оксимасляної кислоти, з'єднаних складноефірного зв'язком. Кожна ланцюг містить близько 1500 залишків. Структура являє собою компактну праву спіраль, близько 90 таких ланцюгів укладено з утворенням тонкого шару в бактеріальних клітинах.

полі-D-β-оксимасляная кислота

Амінокислотами називаються карбонові кислоти, що містять аміногрупу і карбоксильну групу. Природні амінокислоти є 2-амінокарбонових кислотами, або α-амінокислотами, хоча існують такі амінокислоти як β-аланін, таурин, γ-аміномасляна кислота. Узагальнена формула α-амінокислоти виглядає так:

У α-амінокислот при 2 атомі вуглецю є чотири різних заступника, тобто все α-амінокислоти, крім гліцину, мають асиметричний (хіральний) атом вуглецю і існують у вигляді двох енантіомерів - L- і D-амінокислот. Природні амінокислоти відносяться до L-ряду. D-амінокислоти зустрічаються в бактеріях і пептидних антибіотиках.

Всі амінокислоти в водних розчинах можуть існувати у вигляді біполярних іонів, причому їх сумарний заряд залежить від рН середовища. Величина рН, при якій сумарний заряд дорівнює нулю, називається ізоелектричної точкою. У ізоелектричної точці амінокислота є цвіттер-іоном, тобто аминная група у неї протоновану, а карбоксилом-ва - диссоциирована. У нейтральній області рН більшість амінокислот є цвіттер-іонами:

Амінокислоти не поглинають світло у видимій області спектра, ароматичні амінокислоти поглинають світло в УФ області спектра: триптофан і тирозин при 280 нм, фенілаланін - при 260 нм.

Для амінокислот характерні деякі хімічні реакції, що мають велике значення для лабораторної практики: кольорова Нінгідринова проба на α-аміногрупу, реакції, характерні для сульфгідрильних, фенольних та інших груп радикалів амінокислот, ацелірованіе і освіту підстав Шиффа по аминогруппам, етерифікація по карбоксильних груп.

Біологічна роль амінокислот:

1) є структурними елементами пептидів і білків, так звані Протеїногенні амінокислоти. До складу білків входять 20 амінокислот, які кодуються генетичним кодом і включаються в білки в про-процесі трансляції, деякі з них можуть бути фосфорильованій, ацілірованная або гідроксильованих;

2) можуть бути структурними елементами інших природних сполук - коферментів, жовчних кислот, антибіотиків;

3) є сигнальними молекулами. Деякі з амінокислот є нейромедиаторами або попередниками нейромедіаторів, гормонів і гістогормонов;

4) є найважливішими метаболітами, наприклад, деякі амінокислоти є попередниками алкалоїдів рослин, або служать донорами азоту, або є життєво важливими компонентами харчування.

Класифікація протеіногенних амінокислот заснована на будові і на полярності бічних ланцюгів:

1. Аліфатичні амінокислоти:

гліцин, гли, G, Gly

аланин, ала, А, Ala

валін, вал, V, Val *

лейцин, лей, L, Leu *

ізолейцин, мулі, I, Ile *

Ці амінокислоти не містять в бічному ланцюзі гетероатомов, циклічних угрупувань і характеризується чітко вираженою низькою полярністю.

цистеїн, цис, C, Cys

метіонін, мет, M, Met *

3. Ароматичні амінокислоти:

фенілаланін, фен, F, Phe *

тирозин, тир, Y, Tyr

триптофан, три, W, Trp *

гистидин, гис, H, His

Ароматичні амінокислоти містять мезомерного резонансно стабілізовані цикли. У цій групі тільки амінокислота фенілаланін проявляє низьку полярність, тирозин і триптофан характеризуються помітною, а гістидин - навіть високою полярністю. Гістидин може бути віднесений також до основних амінокислот.

4. Нейтральні амінокислоти:

серин, сер, S, Ser

треонин, тре, T, Thr *

аспарагин, аСН, N, Asn

глутамин, гЛН,Q, Gln

Нейтральні амінокислоти містять гідроксильні або карбоксамідну групи. Хоча амідні групи неіоногенних, молекули аспарагина і глута-міна високо полярні.

5. Кислі амінокислоти:

аспарагінова кислота (аспартат), асп, D, Asp

глутамінова кислота (глутамат), гли, E, Glu

Карбоксильні групи бічних ланцюгів кислих амінокислот повністю іонізовані у всьому діапазоні фізіологічних значень рН.

6. Основні амінокислоти:

лізин, л з, K, Lys *

аргінін, арг, R, Arg

Бічні ланцюга основних амінокислот повністю протоновану в нейтраль-ний області рН. Сильно основний і дуже полярної амінокислотою є аргінін, що містить гуанідинового угруповання.

7. Імінокіслота:

пролин, про, P, Pro

Бічна ланцюг пролина складається з пятичленного циклу, що включає α-вуглецевий атом і α-аміногрупу. Тому пролин, строго кажучи, є не аміно-, а імінокіслотой. Атом азоту в кільці є слабкою основою і не протоніруется при фізіологічних значеннях рН. Завдяки циклічної структурі пролин викликає вигини поліпептидного ланцюга, що дуже істотно для структури колагену.

Деякі з перерахованих амінокислот не можуть синтезуватися в організмі людини і повинні надходити разом з їжею. Це незамінні амінокислоти відзначені зірочками.

Як було зазначено вище, Протеїногенні амінокислоти є попередниками деяких цінних біологічно активних молекул.

Два біогенних аміну β-аланін і цістеамін входять до складу коферменту А (коферменти - похідні водорозчинних вітамінів, що утворюють активний центр складних ферментів). β-Аланін утворюється шляхом декарбоксилювання аспарагінової кислоти, а цістеамін шляхом декарбоксилювання цистеїну:

β-аланін цістеамін

Залишок глутамінової кислоти входить до складу іншого коферменту - тетрагідрофолієвої кислоти, похідного вітаміну В с.

Іншими біологічно цінними молекулами є кон'югати жовчних кислот з амінокислотою гліцином. Ці кон'югати є більш сильними кислотами, ніж базові, утворюються в печінці і присутні в жовчі у вигляді солей.

глікохолевой кислота

Протеїногенні амінокислоти є попередниками деяких антибіотиків - біологічно активних речовин, що синтезуються мікроорганізмами і пригнічують розмноження бактерій, вірусів і клітин. Найбільш відомими з них є пеніциліни і цефалоспорини, що складають групу β-лактамних антибіотиків і продуцірумие цвіллю роду Penicillium. Для них характерна наявність в структурі реакційноздатного β-лактамних кільця, за допомогою якого вони пригнічують синтез клітинних стінок грамнегативних мікроорганізмів.

загальна формула пеніцилінів

З амінокислот шляхом декарбоксилювання виходять біогенні аміни - нейромедіатори, гормони і гістогормони.

Амінокислоти гліцин і глутамат самі по собі є нейромедиаторами в центральній нервовій системі.

Похідними амінокислот також є алкалоїди - природні азотовмісні сполуки основного характеру, що утворюються в расті-пах. Дані сполуки є виключно активними фізіологічними сполуками, широко використовуються в медицині. Прикладами алкалоїдів можуть служити похідне фенілаланіну папаверин, ізохіноліновие алкалоїд маку снотворного (спазмолітик), і похідне триптофану фізостигмін, індольного алкалоїд з Калабар-ських бобів (антихолінестеразних препаратів):

папаверин фізостигмін

Амінокислоти є надзвичайно популярними об'єктами біотехнології. Існує безліч варіантів хімічного синтезу амінокислот, проте в результаті виходять рацемати амінокислот. Так як для харчової промисловості і медицини придатні тільки L-ізомери амінокислот, рацемічні суміші необхідно розділяти на енантіомери, що представляє серйозну проблему. Тому більш популярний біотехнологічний підхід: ферментативний синтез за допомогою іммобілізованих ферментів і мікробіологічний синтез за допомогою цілих мікробних клітин. В обох останніх випадках виходять чисті L-ізомери.

Амінокислоти використовуються як харчові добавки і компоненти кормів. Глутамінова кислота підсилює смак м'яса, валін і лейцин покращують смак хлібобулочних виробів, гліцин і цистеїн використовуються в якості антиоксидантів при консервуванні. D-триптофан може бути замінником цукру, так як у багато разів його солодше. Лізин додають в корм сільськогосподарським тваринам, так як більшість рослинних білків містить малу кількість незамінної амінокислоти лізину.

Амінокислоти широко використовуються в медичній практиці. Це такі амінокислоти як метіонін, гістидин, глутамінова і аспарагінова кислоти, гліцин, цистеїн, валін.

В останнє десятиліття амінокислоти почали додавати в косметичн-етичні засоби по догляду за шкірою і волоссям.

Хімічно модифіковані амінокислоти також широко використовуються в промисловості в якості поверхнево-активних речовин в синтезі полімерів, при виробництві миючих засобів, емульгаторів, добавок до палива.

Загальна характеристика (будова, класифікація, номенклатура, ізомерія).

Основною структурною одиницею білків є a-амінокислоти. У природі зустрічається приблизно 300 амінокислот. У складі білків знайдено 20 різних a-амінокислот (одна з них - пролін, є не аміно-, а імінокислотою). Всі інші амінокислоти існують у вільному стані або в складі коротких пептидів, або комплексів з іншими органічними речовинами.

a-Амінокислоти являють собою похідні карбонових кислот, у яких один водневий атом, у a-вуглецевого атома заміщений на аміногрупу (-NН 2), наприклад:

Розрізняються амінокислоти за будовою і властивостями радикала R. Радикал може представляти залишки жирних кислот, ароматичні кільця, гетероцикли. Завдяки цьому кожна амінокислота наділена специфічними властивостями, що визначають хімічні, фізичні властивості і фізіологічні функції білків в організмі.

Саме завдяки радикалам амінокислот, білки мають ряд унікальних функцій, не властивих іншим биополимером, і володіють хімічною індивідуальністю.

Значно рідше в живих організмах зустрічаються амінокислоти з b- або g-положенням аміногрупи, наприклад:

Класифікація та номенклатура амінокислот.

Існує кілька видів класифікацій амінокислот входять до складу білка.

А) В основу однієї з класифікацій покладено хімічну будову радикалів амінокислот. Розрізняють амінокислоти:

1. Аліфатичні - гліцин, аланін, валін, лейцин, ізолейцин:

2. гидроксилсодержащий - серин, треонін:

4. Ароматичні - фенілаланін, тирозин, триптофан:

5. З аніонобразующімі групами в бічних ланцюгах-аспарагінова і глутамінова кислоти:

6. і аміди-аспарагінової і глутамінової кислот - аспарагін, глутамін.

7. Основні - аргінін, гістидин, лізин.

8. Імінокіслота - пролін

Б) Другий вид класифікації заснований на полярності R-груп амінокислот.

розрізняють полярні і неполярні амінокислоти. У неполярних в радикала є неполярні зв'язку С-С, С-Н, таких амінокислот вісім: аланин, валін, лейцин, ізолейцин, метіонін, фенілаланін, триптофан, пролін.

Всі інші амінокислоти відносяться до полярним (В R-групі є полярні зв'язку С-О, С-N, ОН, S-H). Чим більше в білку амінокислот з полярними групами, тим вище його реакційна здатність. Від реакційної здатності багато в чому залежать функції білка. Особливо великим числом полярних груп, характеризуються ферменти. І навпаки, їх дуже мало в такому білку як кератин (волосся, нігті).

В) Амінокислоти класифікують і на основі іонних властивостей R-груп(Таблиця 1).

кислі (При рН \u003d 7 R-група може нести негативний заряд) це аспарагінова, глутамінова кислоти, цистеїн і тирозин.

Основні (При рН \u003d 7 R-група може нести позитивний заряд) - це аргінін, лізин, гістидин.

Всі інші амінокислоти відносяться до нейтральним (Група R незаряжена).

Таблиця 1 - Класифікація амінокислот на основі полярності
R-груп.

3. Негативно заряджені
R-групи

Аспарагінова к-та

Глутамінова к-та

4. Позитивно заряджені
R-групи

гістидин

GLy ALa VaL Leu Lie Pro Phe Trp Ser Thr Cys Met Asn GLn Tyr Asp GLy Lys Arg His G A V L I P F W S T C M N Q Y D E K R N Гли Ала Вал Лей Ілі Про Фен Трп Сер Тре Цис Мет АСН Глн Тир Асп Гли Ліз Арг Гіс 5,97 6,02 5,97 5,97 5,97 6,10 5,98 5,88 5,68 6,53 5,02 5,75 5,41 5,65 5,65 2,97 3,22 9,74 10,76 7,59 7,5 9,0 6,9 7,5 4,6 4,6 3,5 1,1 7,1 6,0 2,8 1,7 4,4 3,9 3,5 5,5 6,2 7,0 4,7 2,1

Г) За кількістю амінних і карбоксильних груп амінокислоти поділяються:

– на моноамінамонокарбоновие, Що містять по одній карбоксильної і аминной групі;

- моноамінодікарбоновие (Дві карбоксильні і одна аминная група);

- діаміномонокарбоновие (Дві амінниє і одна карбоксильна група).

Д) За здатністю синтезуватися в організмі людини і тварин все амінокислоти поділяються:

– на замінні,

- незамінні,

- частково незамінні.

Білки не можуть синтезуватися в організмі людини і тварин вони обов'язково повинні надходити разом з їжею. Абсолютно незамінних амінокислот вісім: валін, лейцин, ізолейцин, треонін, триптофан, метіонін, лізин, фенілаланін.

Частково незамінні - синтезуються в організмі, але в недостатній кількості, тому частково повинні надходити з їжею. Такими амінокислотами є арганін, гістидин, тирозин.

Замінні амінокислоти синтезуються в організмі людини в достатній кількості з інших з'єднань. Рослини можуть синтезувати всі амінокислоти.

ізомерія

У молекулах всіх природних амінокислот (за винятком гліцину) у a-вуглецевого атома всі чотири валентні зв'язки зайняті різними заступниками, такий атом вуглецю є асиметричним, і отримав назву хірального атома. Внаслідок цього розчини амінокислот мають оптичну активність - обертають площину плоскополяризованого світла. Число можливих стереоізомерів рівно 2 n, де n - число асиметричних атомів вуглецю. У гліцину n \u003d 0, у треонина n \u003d 2. Всі інші 17 білкових амінокислот містять по одному асиметричних атому вуглецю, вони можуть існувати у вигляді двох оптичних ізомерів.

Як стандарт при визначенні L і D-конфігурації амінокислот використовується конфігурація стереоизомеров гліцеринового альдегіду.

Розташування в проекційної формулою Фішера NH 2-групи зліва відповідають L-конфігурації, а праворуч - D-конфігурації.

Слід зазначити, що букви L і D означають приналежність того чи іншого речовини по своїй стереохимической конфігурації до L або D ряду, незалежно від спрямованості обертання.

Крім 20 стандартних амінокислот зустрічаються майже у всіх білках, існують ще нестандартні амінокислоти, які є компонентами лише деяких типів білків - ці амінокислоти називають ще модифікованими (Гидроксипролин і гідроксилізин).

методи отримання

- Амінокислоти мають надзвичайно велике фізіологічне значення. Із залишків амінокислот побудовані білки і поліпептиди.

При гідролізі білкових речовин тварин і рослинних організмів утворюються амінокислоти.

Синтетичні способи отримання амінокислот:

– Дія аміаку на галоідзамещённие кислоти

- α-Амінокислоти отримують дією аміаку на Оксин-ріли

Біологічна роль амінокислот:

2) можуть бути структурними елементами інших природних сполук - коферментів, жовчних кислот, антибіотиків;

Класифікація протеіногенних амінокислот заснована на будові і на полярності бічних ланцюгів:

1. Аліфатичні амінокислоти:

гліцин, гли, G, Gly

аланін, ала, А, Ala

валін, вал, V, Val *

лейцин, лей, L, Leu *

ізолейцин, мулі, I, Ile *

цистеїн, цис, C, Cys

метіонін, мет, M, Met *

3. Ароматичні амінокислоти:

фенілаланін, фен, F, Phe *

тирозин, тир, Y, Tyr

триптофан, три, W, Trp *

гістидин, гис, H, His

4. Нейтральні амінокислоти:

Серін, сер, S, Ser

треонін, тре, T, Thr *

аспарагин, аСН, N, Asn

глутамин, гЛН,Q, Gln

5. Кислі амінокислоти:

Аспарагінова кислота (аспартат), асп, D, Asp

Глутамінова кислота (глутамат), гли, E, Glu

6. Основні амінокислоти:

Лізин, л з, K, Lys *

аргінін, арг, R, Arg

7. Імінокіслота:

пролин, про, P, Pro

β-аланін цістеамін

глікохолевой кислота

Загальна формула пеніцилінів

З амінокислот шляхом декарбоксилювання виходять біогенні аміни - нейромедіатори, гормони і гістогормони.

Амінокислоти гліцин і глутамат самі по собі є нейромедиаторами в центральній нервовій системі.

дофамін (нейромедіатор) норадреналін (нейромедіатор)

адреналін (гормон) гістамін (медіатор і гістогормон)

серотонін (нейромедіатор і гістогормон) ГАМК (нейромедіатор)

Тироксин (гормон)

Похідним амінокислоти триптофану є найбільш відомий з зустрічаються в природі ауксин - індолілуксусная кислота. Ауксини - це регулятори росту рослин, вони стимулюють диференціювання зростаючих тканин, зростання камбію, коренів, прискорюють ріст плодів і опадання старого листя, їх антагоністами є абсцизовая кислота.

індолілуксусная кислота

папаверин фізостигмін

БІЛКИ

Білки - це високомолекулярні речовини, що складаються з амінокислот, з'єднаних пептидним зв'язком.

Саме білки є продуктом генетичної інформації, що передається з покоління в покоління, і здійснюють всі процеси життєдіяльності в клітці.

Функції білків:

1. Каталитическая функція. Найбільш численну групу білків складають ферменти - білки з каталітичної активністю, що прискорюють хімічні реакції. Прикладами ферментів є пепсин, алкогольдегидрогеназа, глутамінсінтетаза.

2. Структурообразующая функція. Структурні білки відповідають за підтрим-жание форми і стабільності клітин і тканин, до них відносяться кератину, колаген, фиброин.

3. Транспортна функція. Транспортні білки переносять молекули або іони з одного органу в інший або через мембрани всередині клітини, наприклад, гемоглобін, сироватковий альбумін, іонні канали.

4. Захисна функція. Білки системи гомеостазу захищають організм від збудників хвороб, чужорідної інформації, втрати крові - імуноглобуліни, фібриноген, тромбін.

5. Регуляторна функція. Білки здійснюють функції сигнальних речовин - деяких гормонів, гістогормонов і нейромедіаторів, є рецепторами до сигнальних речовин будь-якої будівлі, забезпечують подальшу передачу сигналу в біохімічних сигнальних ланцюгах клітини. Прикладами можуть служити гормон росту соматотропін, гормон інсулін, Н-і М-холінорецептори.

6. Рухова функція. За допомогою білків здійснюються процеси скорочення і іншого біологічного руху. Прикладами можуть служити тубулін, актин, міозин.

7. Запасна функція. У рослинах містяться запасні білки, які є цінними харчовими речовинами, в організмах тварин м'язові білки служать резервними поживними речовинами, які мобілізуються за крайньої необхідності.

Для білків характерним є наявність декількох рівнів структурної організації.

первинною структурою білка називають послідовність амінокислотних залишків у поліпептидному ланцюзі. Пептидний зв'язок - це карбоксамідну зв'язок між α-карбоксильної групою однієї амінокислоти і α-аміногрупою іншої амінокислоти.

Аланілфенілаланілцістеілпролін

У пептидного зв'язку є кілька особливостей:

а) вона резонансно стабілізовано і тому знаходиться практично в одній площині - планарна; обертання навколо зв'язку С-N вимагає великих витрат енергії і утруднене;

б) у зв'язку -CO-NH- особливий характер, вона менше, ніж звичайна, але більше, ніж подвійна, тобто існує кето-енольна таутомерія:

в) заступники по відношенню до пептидного зв'язку знаходяться в транс-положенні;

г) пептидний кістяк оточений різноманітними за своєю природою бічними ланцюгами, взаємодіючи з оточуючими молекулами розчинника, вільні карбоксильні і аміногрупи ионизируются, утворюючи катіонні і аніонні центри молекули білка. Залежно від їх співвідношення білкова молекула отримує сумарний позитивний або негативний заряд, а також характеризується тим чи іншим значенням рН середовища при досягненні ізоелектричної точки білка. Радикали утворюють сольові, ефірні, дисульфідні містки усередині молекули білка, а також визначають коло реакцій, властивих білкам.

В даний час домовилися вважати білками полімери, що складаються з 100 і більше амінокислотних залишків, полипептидами - полімери, що складаються з 50-100 амінокислотних залишків, низькомолекулярними пептидами - полімери, що складаються з менш 50 амінокислотних залишків.

Деякі низькомолекулярні пептиди грають самостійну біологічну роль. Приклади деяких таких пептидів:

Глутатіон - γ-глу-цис-гли - один з найбільш широко поширений-них внутрішньоклітинних пептидів, бере участь в окисно-відновних процесах в клітинах і перенесення амінокислот через біологічні мембрани.

Карнозин - β-ала-гіс - пептид, що міститься в м'язах тварин, усуває продукти перекисного розщеплення ліпідів, прискорює процес розпаду вуглеводів в м'язах і в вигляді фосфату втягується в енергетичний обмін в м'язах.

Вазопресин - гормон задньої долі гіпофіза, який бере участь в регуляторних-ції водного обміну організму:

Фаллоідін - отруйний поліпептид мухомора, в незначних концентраціях викликає загибель організму внаслідок виходу ферментів і іонів калію з клітин:

Граміцидин - антибіотик, що діє на багато грампозитивні бактерії, змінює проникність біологічних мембран для низькомолекулярних сполук і викликає загибель клітин:

метенкефалінів - тир-гли-гли-фен-мет - пептид, що синтезується в нейронах і послабляє больові відчуття.

Вторинна структура білка- це просторова структура, що утворюється в результаті взаємодій між функціональними групами пептидного остова.

Пептидная ланцюг містить безліч СО і NH-груп пептидних зв'язків, кожна з яких потенційно здатна брати участь в утворенні водневих зв'язків. Існують два основних типи структур, які дозволяють це здійснити: α-спіраль, в яку ланцюг згортається як шнур від телефонної трубки, і складчаста β-структура, в якій пліч-о-пліч укладені витягнуті ділянки однієї або декількох ланцюгів. Обидві ці структури досить стабільні.

α-Спіраль характеризується гранично щільною упаковкою скрученої поліпептидного ланцюга, на кожен виток правозакрученной спіралі доводиться 3,6 амінокислотних залишку, радикали яких спрямовані завжди назовні і трохи назад, тобто в початок поліпептидного ланцюга.

Основні характеристики α-спіралі:

1) α-спіраль стабілізується водневими зв'язками між атомом водню при азоті пептидного групи і карбонільним киснем залишку, віддаленого від даного уздовж ланцюга на чотири позиції;

2) в освіті водневої зв'язку беруть участь всі пептидні групи, це забезпечує максимальну стабільність α-спіралі;

3) в утворенні водневих зв'язків залучені всі атоми азоту і кисню пептидних груп, що в значній мірі знижує гідрофільність α-спіральних областей і збільшує їх гідрофобність;

4) α-спіраль утворюється мимовільно і є найбільш стійкою конформацией поліпептидного ланцюга, що відповідає мінімуму вільної енергії;

5) в поліпептидного ланцюга з L-амінокислот права спіраль, зазвичай виявляється в білках, набагато стабільніше лівої.

Можливість утворення α-спіралі обумовлена \u200b\u200bпервинною структурою білка. Деякі амінокислоти перешкоджають закручування пептидного остова. Наприклад, розташовані поруч карбоксильні групи глутамату і аспартату взаємно відштовхуються одна від одної, що перешкоджає утворенню водневих зв'язків в α-спіралі. З цієї ж причини утруднена спирализация ланцюга в місцях близько розташованих один до одного позитивно заряджених залишків лізину і аргініну. Однак найбільшу роль в порушенні α-спіралі грає пролин. По-перше, в проліном атом азоту входить до складу жорсткого кільця, що перешкоджає обертанню навколо зв'язку N-C, по-друге, пролін не утворює водневий зв'язок через відсутність водню при атомі азоту.

β-складчастість - це шарувата структура, утворена водневими зв'язками між лінійно розташованими пептидними фрагментами. Обидва ланцюги можуть бути незалежними або належати одній молекулі поліпептиду. Якщо ланцюги спрямовані в одному напрямку, то така β-структура називається паралельної. У разі протилежного напрямку ланцюгів, тобто коли N-кінець одного ланцюга збігається з С-кінцем інший ланцюга, β-структура називається антипараллельной. Енергетично більш краща антипаралельними β-складчастість з майже лінійними водневими містками.

паралельна β-складчастість антипаралельними β-складчастість

На відміну від α-спіралі, насиченою водневими зв'язками, кожна ділянка ланцюга β-складчастості відкритий для утворення додаткових водневих зв'язків. Бічні радикали амінокислот орієнтовані майже перпендикулярно площині листа поперемінно вгору і вниз.

У тих ділянках, де пептидная ланцюг вигинається досить круто, часто знаходиться β-петля. Це короткий фрагмент, в якому 4 амінокислотних залишку згинаються на 180 о і стабілізуються одним водневим містком між першим і четвертим залишками. Великі амінокислотні радикали заважають утворенню β-петлі, тому в неї найчастіше входить найменша амінокислота гліцин.

Надвторічная структура білка - це певний специфічний порядок чергування вторинних структур. Під доменом розуміють відокремлену частину молекули білка, що володіє певною мірою структурної та функціональної автономією. Зараз домени вважають фундаментальними елементами структури білкових молекул і співвідношення і характер компоновки α-спіралей і β-шарів дає для розуміння еволюції білкових молекул і філогенезу більше, ніж зіставлення первинних структур. Головним завданням еволюції є конструювання все нових білків. Нескінченно малий шанс випадково синтезувати таку амінокислотну послідовність, яка б задовольнила умов упаковки і забезпечила виконання функціональних завдань. Тому часто зустрічаються білки з різною функцією, але подібні за структурою настільки, що здається, що вони мали одного загального предка або відбулися один від одного. Схоже, що еволюція, зіткнувшись з необхідністю вирішити певне завдання, вважає за краще не конструювати для цього білки спочатку, а пристосувати для цього вже добре налагоджені структури, адаптуючи їх для нових цілей.

Деякі приклади часто повторюваних надвторічних структур:

1) αα '- білки, що містять тільки α-спіралі (міоглобін, гемоглобін);

2) ββ '- білки, що містять тільки β-структури (імуноглобуліни, супероксиддисмутаза);

3) βαβ '- структура β-бочки, кожен β-шар розташований всередині бочки і пов'язаний з α-спіраллю, що знаходиться на поверхні молекули (тріозофосфоізомераза, лактатдегидрогеназа);

4) «цинковий палець» - фрагмент білка, що складається з 20 амінокислотних залишків, атом цинку пов'язаний з двома залишками цистеїну і двома гистидина, в результаті чого утворюється «палець» з приблизно 12 амінокислотних залишків, може зв'язуватися з регуляторними ділянками молекули ДНК;

5) «лейцінових застібка-блискавка» - взаємодіючі білки мають α-спіральний ділянку, що містить принаймні 4 залишки лейцину, вони розташовані через 6 амінокислот один від іншого, тобто знаходяться на поверхні кожного другого витка і можуть утворювати гідрофобні зв'язку з лейцінових залишками іншого білка. За допомогою лейцінових застібок, наприклад, молекули сільноосновним білків гістонів можуть об'єднуватися в комплекси, долаючи позитивний заряд.

Третинна структура білка - це просторове розташування молекули білка, що стабілізується зв'язками між бічними радикалами амінокислот.

Типи зв'язків, що стабілізують третинну структуру білка:

електростатичне водневі гідрофобні дисульфідні

взаємодія зв'язку взаємодії зв'язку

Залежно від складання третинної структури білки можна класифікувати на два основних типи - фібрилярні і глобулярні.

Фібрилярні білки - нерозчинні у воді довгі ниткоподібні молекули, поліпептидні ланцюги яких витягнуті уздовж однієї осі. В основному це структурні і скоротливі білки. Кілька прикладів найпоширеніших фібрилярних білків:

1. α-Кератини. Синтезуються клітинами епідермісу. На їх частку припадає майже весь суха вага волосся, вовни, пір'я, рогів, нігтів, кігтів, голок, луски, копит і черепашачого панцира, а також значна частина ваги зовнішнього шару шкіри. Це ціле сімейство білків, вони подібні за амінокислотним складом, містять багато залишків цистеїну і мають однакове просторове розташування поліпептидних ланцюгів. У клітинах волосся поліпептидні ланцюга кератину спочатку організовуються в волокна, з яких потім формуються структури на зразок каната або скрученого кабелю, що заповнює в кінці кінців все простір клітини. Клітини волосся стають при цьому сплощеними і, нарешті, відмирають, а клітинні стінки утворюють навколо кожного волоса трубчастий чохол, званий кутикулою. В α-кератині поліпептидні ланцюги мають форму α-спіралі, скручені одна навколо іншої в трижильний кабель з утворенням поперечних дисульфідних зв'язків. N-кінцеві залишки розташовані з одного боку (паралельні). Кератини нерозчинні в воді через переважання в їх складі амінокислот з неполярними бічними радикалами, які звернені в бік водної фази. При хімічній завивці відбуваються такі процеси: спочатку шляхом відновлення тіолами руйнуються дисульфідні містки, а потім при наданні волоссю необхідної форми їх висушують нагріванням, при цьому за рахунок окислення киснем повітря утворюються нові дисульфідні містки, які зберігають форму зачіски.

2. β-Кератини. До них відносяться фиброин шовку і павутини. Являють собою антипаралельні β-складчасті шари з переважанням гліцину, аланіну і серину в складі.

3. Колаген. Найпоширеніший білок у вищих тварин і головний фібрилярний білок сполучних тканин. Колаген синтезується в фібробластах і хондроцитах - спеціалізованих клітинах сполучної тканини, з яких потім виштовхується. Колагенові волокна знаходяться в шкірі, сухожиллях, хрящах і кістках. Вони не растяжки-ються, по міцності перевершують сталевий дріт, колагенові фібрили характеризуються поперечною смугастість. При кип'ятінні у воді волокнистий, нерозчинний і нетравне колаген перетворюється в желатин в результаті гідролізу деяких ковалентних зв'язків. Колаген містить 35% гліцину, 11% аланина, 21% проліну і 4-гідроксипроліну (амінокислоти, властивої тільки для колагену і еластину). Такий склад визначає відносно низьку поживну цінність желатину як харчового білка. Фібрили колагену складаються з повторюваних поліпептидних субодиниць, званих тропоколлагеном. Ці субодиниці укладені вздовж фібрили у вигляді паралельних пучків по типу «голова до хвоста». Зрушити головок і надає характерну поперечну смугастість. Порожнечі в цій структурі при необхідності можуть служити місцем відкладення кристалів гідроксиапатиту Са 5 (ОН) (РО 4) 3, що грає важливу роль в мінералізації кісток.

Тропоколлагеновие субодиниці складаються з трьох поліпептидних ланцюгів, щільно скручених у вигляді трьохжильного каната, що відрізняється від α- і β-кератинів. В одних колагеном все три ланцюги мають однакову амінокислотну послідовність, тоді як в інших ідентичні тільки два ланцюги, а третя відрізняється від них. Поліпептидний ланцюг тропоколагену утворює ліву спіраль, на один виток якої припадає лише три амінокислотних залишку через вигинів ланцюга, обумовленої пролином і гідроксипроліну. Три ланцюга пов'язані між собою крім водневих зв'язків зв'язком ковалентного типу, що утворюється між двома залишками лізину, що знаходяться в сусідніх ланцюгах:

У міру того як ми стаємо старше, в тропоколлагенових субодиниць і між ними утворюється все більше число поперечних зв'язків, що робить фібрили колагену більш жорсткими і крихкими, і це змінює механічні властивості хрящів і сухожиль, робить більш ламкими кістки і знижує прозорість рогівки ока.

4. Еластин. Міститься в жовтій еластичною тканини зв'язок і еластичному шарі сполучної тканини в стінках великих артерій. Основна субодиниця фібрил еластину - тропоеластін. Еластин багатий гліцином і аланином, містить багато лізину і мало пролина. Спіральні ділянки еластину розтягуються при натягу, але повертаються при знятті навантаження до вихідної довжини. Залишки лізину чотирьох різних ланцюгів утворюють ковалентні зв'язки між собою і дозволяють еластину оборотно розтягуватися у всіх напрямках.

Глобулярні білки - білки, поліпептидний ланцюг яких згорнута в компактну глобулу, здатні виконувати найрізноманітніші функції.

Третинну структуру глобулярних білків найзручніше розглянути на прикладі міоглобіну. Міоглобін - це відносно невеликий кисень-зв'язуючий білок, присутній в м'язових клітинах. Він запасає пов'язаний кисень і сприяє його переносу в мітохондрії. У молекулі міоглобіну знаходиться одна поліпептидний ланцюг і одна гемогруппи (гем) - комплекс протопорфірину з залізом. Основні властивості міоглобіну:

а) молекула міоглобіну настільки компактна, що всередині неї може вміститися всього 4 молекули води;

б) всі полярні амінокислотні залишки, за винятком двох, розташовані на зовнішній поверхні молекули, причому всі вони знаходяться в гідратованому стані;

в) велика частина гідрофобних амінокислотних залишків розташована всередині молекули міоглобіну і, таким чином, захищена від доторкніться-нення з водою;

г) кожен з чотирьох залишків проліну в молекулі міоглобіну знаходиться в місці вигину поліпептидного ланцюга, в інших місцях вигину розташовані залишки серину, треоніну і аспарагина, так як такі амінокислоти перешкоджають утворенню α-спіралі, якщо знаходяться один з одним;

д) плоска гемогруппи лежить в порожнині (кишені) поблизу поверхні молекули, атом заліза має дві координаційні зв'язки, спрямовані перпендикулярно площині гема, одна з них пов'язана із залишком гістидину 93, а інша служить для зв'язування молекули кисню.

Починаючи з третинної структури білок стає здатним виконувати властиві йому біологічні функції. В основі функціонування білків лежить те, що при укладанні третинної структури на поверхні білка утворюються ділянки, які можуть приєднувати до себе інші молекули, звані лігандами. Висока специфічність взаємодії білка з лігандом забезпечується комплементарностью структури активного центру структурі ліганду. Комплементарність - це просторове і хімічне відповідність взаємодіючих поверхонь. Для більшої частини білків третинна структура - максимальний рівень укладання.

Четвертичная структура білка - характерна для білків, що складаються з двох і більше поліпептидних ланцюгів, пов'язаних між собою виключно нековалентними зв'язками, в основному електростатичними і водневими. Найчастіше білки містять дві або чотири субодиниці, більше чотирьох субодиниць зазвичай містять регуляторні білки.

Білки, які мають четвертинних структуру, часто називаються олігомерними. Розрізняють гомомерние і гетеромерного білки. До гомо-мірним відносяться білки, у яких все субодиниці мають однакову будову, наприклад, фермент каталаза складається з чотирьох абсолютно однакових субодиниць. Гетеромерного білки мають різні субодиниці, наприклад, фермент РНК-полімераза складається з п'яти різних за будовою субодиниць, що виконують різні функції.

Взаємодія однієї субодиниці зі специфічним лігандом викликає конформаційні зміни всього олігомерного білка і змінює спорідненість інших субодиниць до лигандам, це властивість лежить в основі здатності олігомерних білків до аллостерічеськой регуляції.

Четвертинних структуру білка можна розглянути на прикладі гемоглобіну. Містить чотири поліпептидних ланцюги і чотири простетичноїгрупи гема, в яких атоми заліза знаходяться в закисной формі Fe 2+. Білкова частина молекули - глобин - складається з двох α-ланцюгів і двох β-ланцюгів, що містять до 70% α-спіралей. Кожна з чотирьох ланцюгів має характерну для неї третинну структуру, з кожної ланцюгом пов'язана одна гемогруппи. Геми різних ланцюгів порівняно далеко розташовані один від одного і мають різний кут нахилу. Між двома α-ланцюгами і двома β-ланцюгами утворюється мало прямих контактів, тоді як між α- і β-ланцюгами виникають численні контакти типу α 1 β 1 і α 2 β 2, утворені гідрофобними радикалами. Між α 1 β 1 і α 2 β 2 залишається канал.

На відміну від міоглобіну гемоглобін характеризується значно більш низьку спорідненість до кисню, що дозволяє йому при існуючих в тканинах низькому парціальному тиску кисню віддавати їм значну частину пов'язаного кисню. Кисень легше зв'язується залізом гемоглобіну при більш високих значеннях рН і низькій концентрації СО 2, властиві альвеол легенів; звільненню кисню з гемоглобіну сприяють більш низькі значення рН і високі концентрації СО 2, властиві тканинам.

Крім кисню гемоглобін переносить іони водню, які зв'язуються з залишками гістидину в ланцюгах. Також гемоглобін переносить вуглекислий газ, який приєднує до кінцевої аміногрупи кожної з чотирьох поліпептидних ланцюгів, в результаті чого утворюється карбаміногемоглобін:

В еритроцитах в досить великих концентраціях присутній речовина 2,3-дифосфоглицерата (ДФГ), його зміст збільшується при підйомі на велику висоту і при гіпоксії, полегшуючи вивільнення кисню з гемоглобіну в тканинах. ДФГ розташовується в каналі між α 1 β 1 і α 2 β 2, взаємодіючи з позитивно зараженими групами β-ланцюгів. При зв'язуванні гемоглобіном кисню ДФГ витісняється з порожнини. В еритроцитах деяких птахів міститься не ДФГ, а інозітолгекса-фосфат, який ще більше знижує спорідненість гемоглобіну до кисню.

2,3-дифосфоглицерата (ДФГ)

HbA - нормальний гемоглобін дорослої людини, HbF - фетальний гемоглобін, має більшу спорідненість до О2, HbS - гемоглобін при серповидноклеточной анемії. Серповидноклеточная анемія - це серйозне спадкове захворювання, пов'язане з генетичною аномалією гемоглобіну. У крові хворих людей спостерігається незвично велику кількість тонких серповидних еритроцитів, які, по-перше, легко розриваються, по-друге, закупорюють кровоносні капіляри. На молекулами-лярного рівні гемоглобін S відрізняється від гемоглобіну А по одному амінокислотним залишком в положенні 6 β-ланцюгів, де замість залишку глутамінової кислоти знаходиться валін. Таким чином, гемоглобін S містить на два негативних заряду менше, поява валина призводить до виникнення «липкого» гидрофобного контакту на поверхні молекули, в результаті при дезоксігенаціі молекули дезоксигемоглобина S злипаються і утворюють нерозчинні аномально довгі ниткоподібні агрегати, що призводять до деформації еритроцитів.

Немає ніяких підстав думати, що існує незалежний генетичний контроль за формуванням рівнів структурної організації білка вище первинного, оскільки первинна структура визначає і вторинну, і третинну, і четвертинних (якщо вона є). Нативної конформацией білка є термодинамічно найбільш стійка в даних умовах структура.