1. Аминокислотный состав белков. Формулы и классификация аминокислот.

Аминокислота – это соединение, содержащее одновременно аминную и карбоксильную функциональные группы.

В зависимости от характера боковых цепей делят на:

• ациклические (алифатические) (в радикале атомы углерода соединены в цепь). Сюда относятся: метионин, валин, лейцин, изолейцин, аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота.

• циклические (атомы радикала образуют замкнутые циклы). К карбоциклическим относятся АМК, у которых циклы образованы только атомами углерода (тирозин, фенилаланин). К гетероциклическим относятся АМК, у которых в состав циклов входят другие атомы (N, O, S) (триптофан, пролин, гистидин).

По числу аминных и карбоксильных групп аминокислоты делятся на:

• моноаминомонокарбоновые (содержат 1 аминную и 1 карбоксильную группу): глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин, серин, треонин, цистеин, метионин, триптофан, тирозин, фенилаланин;

• диаминомонокарбоновые (содержат 2 аминных и 1 карбоксильную группу): лизин, аргинин;

• моноаминодикарбоновые (содержат 1 аминную и 2 карбоксильных группы): аспарагиновая и глутаминовая кислоты;

• диаминодикарбоновые (содержат 2 аминных и 2 карбоксильных группы): цистеин.

По характеру заряженности боковых радикалов, их полярности аминокислоты классифицируются на:

• неполярные, гидрофобные (содержат углеводороды в качестве радикала): аланин, валин, лейцин, изолейцин, метионин, пролин, фенилаланин, триптофан;

• полярные, но незаряженные (содержат гидроксильную (серин, треонин, тирозин), амидную (аспарагин и глутамин), сульфгидрильную (цистеин) группы или атом водорода в качестве радикала (глицин);

• полярные с отрицательным зарядом (содержат отрицательно заряженные R-группы): аспарагиновая и глутаминовая кислоты;

• полярные с положительным зарядом (содержат положительно заряженные R-группы): лизин, аргинин и гистидин.

По биологическому значению аминокислоты подразделяются на:

• заменимые (синтезируются): глицин, аланин, серин, цистеин, тирозин, аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота, аспарагин, глутамин;

• незаменимые (не синтезируются, поступают с пищей), их 8: валин, лейцин, изолейцин, треонин, лизин, метионин, фенилаланин, триптофан;

• полузаменимые (синтезируются, но их мало): аргинин и гистидин.

2. Кислотно-основные свойства аминокислот.

АМК относятся к амфотерным электролитам: недиссоциированная форма АМК в нейтральных водных растворах превращается в диполярную форму («цвиттерион»), реагирует с кислотами, основаниями:

Превращение диполярного иона в кислой среде:

Превращение диполярного иона в щелочной среде:

АМК растворимы в воде. Растворы моноаминомонокарбоновых АМК имеют нейтральную реакцию, моноаминодикарбоновых – кислую реакцию, диаминомонокарбоновых – щелочную реакцию.

Свойства АМК зависят от радикала и входящих в него функциональных групп.

Межмолекулярное взаимодействие α-АМК приводит к образованию пептидов. При взаимодействии 2 α-АМК образуется дипептид и т.д.

Фрагменты молекул АМК, образующие пептидную цепь, называются АМК остатками, а связь –CO–NH– пептидной связью.

3. Биологические функции белков в организме.

• Структурная функция.

Межклеточное вещество формирует коллаген, эластин, кератин.

Участвуют в построении мембран (интегральные - гликофорин, полуинтегральные и поверхностные белки - спектрин).

• Ферментативная функция.

Все ферменты являются белками. 

• Гормональная функция.

Инсулин и глюкагон - белки, все гормоны гипофиза – белки.

• Рецепторная функция.

Избирательное связывание гормонов, БАВ и медиаторов.

• Транспортная функция.

Осуществляют перенос веществ  (липопротеины - перенос жира; гемоглобин - кислород, трансферрин - железо). Транспортируют в крови катионы кальция, магния, железа и т.д.

• Резервная функция.

У животных и человека специализированных депо нет, но при длительном голодании используются белки мышц, лимфоидных органов, эпителиальных тканей и печени.

• Сократительная функция.

Изменение формы клетки и движение (тубулин, актин, миозин).

• Защитная функция.

Иммуноглобулины крови, при повреждении тканей работают белки свертывающей системы крови (фибриноген, протромбин).

Механическую защиту осуществляют коллаген и протеогликаны.

4. Структурная организация белковой молекулы:

Первичная структура белка – последовательное расположение АМК остатков в полипептидной цепи, формируется в результате соединения α-АМК пептидными связями:

Полипептидная цепь имеет определенное направление: начало - участок, несущий свободную аминогруппу (N-конец), а заканчивается цепь свободной карбоксильной группой (С-конец).

Первичная структура белка уникальна и детерминируется генами.

Замена одного АМК остатка на другой может привести к аномалии (замена в β-цепи гемоглобина человека остатка глутаминовой кислоты, на остаток валина – серповидно-клеточная анемия).

Вторичная структура белка - конфигурация, характерная для одной или нескольких полипептидных цепей, входящих в состав молекулы: α-спираль и β-складчатый слой.

В природных белках существуют только правозакрученные α-спирали. Закручивание спирали идет по часовой стрелке. Формирование и поддержание α-спиральной конфигурации происходит за счет водородных связей, образующихся между пептидными группами каждого АМК остатков.

Линейная структура удерживается благодаря возникновению водородных связей между пептидными группировками. Цепи в β-складчатом слое могут идти в одном и том же направлении (параллельный β-слой) или в противоположных направлениях (антипараллельный β-слой).

Вторичная структура определяется первичной. АМК остатки в разной степени способны к образованию водородных связей, это и влияет на образование α-спирали или β-слоя.

К спиралеобразующим АМК относятся: аланин, глутаминовая кислота, глутамин, лейцин, лизин (парамиозин, мио-, гемоглобин).

Валин, изолейцин, фенилаланин образуют β-слой (трипсин, кератин).

Третичная структура белка определяется первичной структурой, расположение полипептидной цепи основано на взаимодействии радикалов АМК:

• ковалентные (дисульфидные) - между атомами серы цистеина.

• ионные - контакт “+” заряженных групп радикалов лизина, аргинина, гистидина и “-” заряженной СООН-группы аспарагиновой и глутаминовой кислоты.

• водородные - между 2 электроотрицательными атомами (О, N, F), протон водорода, ковалентно связанный с одним из этих атомов, располагается между ними.

• гидрофобные - между неполярными углеводородными радикалами АМК остатков.

Четвертичная структура белка характеризуется наличием в белковой молекуле определенного числа полипептидных цепей, занимающих строго фиксированное пространственное положение, вследствие чего белок обладает биологической активностью.

Характерное свойство – отд-ая субъединица не обладает активностью.

Стабилизация за счет ионных и водородных связей, и гидрофобных взаимодействий.

Пример: гемоглобин (состоит из 4 субъединиц двух разных типов – α и β, каждая субъединица содержит простетическую группу – гем, 4 субъединицы соединяются и образуют правильный тетраэдр).

5. Типы химических связей в белковой молекуле.

• пептидные - при взаимодействии карбоксильной группы и аминогруппы.

• ковалентные (дисульфидные) - между атомами серы остатков цистеина.

• ионные - “+” заряженные радикалы лизина, аргинина, гистидина с “-” заряженными СООН-группами аспарагиновой и глутаминовой кислоты.

• водородные - между 2 электроотрицательными атомами (О, N, F), когда протон водорода, ковалентно связанный с одним из этих атомов, располагается между ними.

• гидрофобные - между неполярными углеводородными радикалами АМК остатков.

6. Простые белки.

Простые белки - белки, построенные из остатков α-аминокислот, при гидролизе распадаются на АМК. 

Гистоны - тканевые белки, связаны с ДНК. Белки небольшой молекулярной массы. Выражены основные свойства, ИЭТ колеблется 9 - 12.

Гистоны имеют только 3 структуру, сосредоточены в основном в ядрах. Гистоны связаны с ДНК в составе дезоксирибонуклеопротеинов. Связь гистон-ДНК электростатическая, гистоны имеют “+” заряд (преобладают диаминомонокарбоновые АМК аргинин, лизин).

Типы:

H1/H5 – линкерный гистон (связывается с нуклеосомой, фиксируя нить ДНК).

Н2А, Н2В, Н3 и Н4 – коровые гистоны (формируют нуклеосому).

Структурная функция (стабилизация пространственной стр-ры ДНК).

Регуляторная (способны блокировать передачу информации от ДНК к РНК).

Протамины - заменители гистонов, но с другим составом и структурой, низкомолекулярные, резко выраженные основные свойства из-за большого содержания аргинина. Связываются с ДНК в хроматине спермиев, делают компактной ДНК сперматозоидов (пример: сальмин).

Альбумины - белки относительно небольшой молекулярной массы, имеют “-” заряд и кислые свойства, ИЭТ - 4, содержат много глутаминовой АМК. Это сильно гидратированые белки (осаждаются при большой концентрации водоотнимающих веществ).

Играют важную роль в поддержании осмотического давления крови. Если концентрация альбуминов низкая, то изменяется осмотическое давление крови, что приводит к возникновению отеков.

Характерное свойство - высокая адсорбционная способность (адсорбируют полярные и неполярные молекулы, выполняя транспортировку горомнов, холестерола, билирубина, ЛС).

Глобулины - белки с большей молекулярной массой, слабокислые или нейтральные белки (ИЭТ = 6 – 7,3). Некоторые обладают способностью к специфическому связыванию веществ.

Протеиноиды.

Белки опорных тканей (костей, хрящей, сухожилий, связок), кератины (белки волос), коллагены (белки СТ), эластин (белок эластических волокон).

Фибриллярны, не гидролизуются в ЖКТ.

Коллаген. Пептидная цепь содержит около 1000 АМК остатков, из которых каждая 3-я АМК – глицин, 20% составляют пролин, 10% аланин. При формировании вторичной и третичной структур не может давать типичных a-спиралей, поскольку пролин может давать только одну водородную связь. Поэтому полипептидная цепь на участке, где он находятся, легко изгибается.

Эластин. Структурный компонент эластических волокон в тканях, обладающих эластичностью. Свойства эластичности проявляются высокой растяжимостью, быстрым восстановлением формы и размера после нагрузки. В эластине много гидрофобных АМК (валин, аланин, лейцин, пролин).

7. Физико-химические свойства белков.

Факторы устойчивости белка.

Устойчивость белковым растворам придают: заряд белковой молекулы и гидратная оболочка.

Появление заряда связано с амфотерными свойствами. К ионогенным группам относятся - СООН, -NH2, -SH (цистеин), -OH (тирозин).

Пространственная укладка (гидрофобные группы «прячутся» в глубине молекулы, гидрофильные на поверхности). К гидрофильным группам относятся -СООН, -NH2, -SH, -ОН. К ним притягиваются диполи Н2О, в результате вокруг молекулы формируется защитная водная «шуба» (препятствует склеиванию, осаждению).

Электрические свойства белков.

Определяются присутствием на их поверхности положительно и отрицательно заряженных АМК остатков. Наличие заряженных группировок белка определяет суммарный заряд белковой молекулы. Если в белках преобладают отрицательно заряженные АМК, то его молекула в нейтральном растворе будет иметь отрицательный заряд, если преобладают положительно заряженные – молекула будет иметь положительный заряд.

Суммарный заряд белковой молекулы зависит от рН среды. При увеличении кислотности среды в молекуле белка снижается число отрицательно заряженных группировок и увеличивается число положительно заряженных, молекула постепенно теряет отрицательный и приобретает положительный заряд. Значение рН, при котором суммарный заряд белка равен нулю, называется ИЭТ.

При значениях рН, отличающихся от ИЭТ, молекулы будут нести одинаковый заряд, следовательно, между молекулами будут силы электростатического отталкивания, препятствующие их «слипанию».

В ИЭТ минимальны растворимость, электропроводность, устойчивость, набухание, вязкость и осмотическое давление растворов; максимальны процессы коагуляции.

Денатурация.

Это разрушение структуры белка и потеря им своих нативных свойств.

Денатурирующие факторы:

1) физические (температура, радиация, УФ излучение).

2) механические (вибрация).

3) химические (концентрированные кислоты, щелочи, соли тяжелых металлов).

При непродолжительном действии и быстром удалении денатурирующих агентов возможна ренатурация с полным восстановлением исходной структуры и нативных свойств.

Используется для осаждения чужеродных белков, при ожогах, обморожениях.

Применение осадочных реакций.

• Изоэлектрическое осаждение (при приближении рН раствора к изоэлектрической точке, белок теряет заряд и осаждается из раствора). Процесс в начальных стадиях обратим, может использоваться для разделения.

• Дегидратация – снятие водной оболочки белковой молекулы при добавлении дегидратирующих средств (спирт, ацетон).

• Высаливание – осаждение белков из растворов при добавлении к ним солей (NaCl, KCl). Высаливающие вещества содержат гидрофильные катионы и анионы, они «снимают» водную оболочку с белка. Высаливание не нарушает структуры белка, полностью обратимо.

8. Классификация сложных белков.

Нуклеопротеины. Небелковая часть представлена НК: ДНК и РНК. НК участвуют в хранении и передаче наследственной информации о 1 структуре белков. Белковая часть - протамины и гистоны.

Хромопротеины. Гемоглобин состоит из глобина и небелковой части - гема, в составе которого атом двухвалентного железа (окрашен в красный). Белок крови  церулоплазмин содержит медь (окрашен в голубой). К флавопротеинам относится рибофлавин.

Липопротеины являются компонентами клеточных мембран, содержатся в миелиновых оболочках, во внутренних мембранах митохондрий.

Гликопротеины входят в состав клеточных мембран, участвуют в транспорте веществ, в процессах свертывания крови, иммунитета (иммуноглобулины), образуют матрикс межклеточного пространства.

Фосфопротеины - белки, играющие роль в питании. Это основные белки молока - казеин, яичного желтка – вителлин и фосвитин, икры рыб – ихтулин.