Белки

Классификация белков.

Из-за относительно больших  размеров белковых молекул , сложности  их строения и отсутствия достаточно точных данных о структуре большинства  белков еще нет рациональной химической классификации белков. Существующая классификация в значительной мере условна и построена главным образом на основании физико-химических свойств белков, источников их получения , биологической активности и других, нередко случайных, признаков. Так, по физико-химическим свойствам белки делят на фибриллярные и глобулярные , на гидрофильные(растворимые) и гидрофобные (нерастворимые) и т.п. По источнику получения белки подразделяют на животные, растительные и бактериальные; на белки мышечные, нервной ткани, кровяной сыворотки и т.п.; по биологической активности - на белки-ферменты, белки-гормоны, структурные белки, сократительные белки, антитела и т.д. Следует, однако, иметь в виду, что из-за несовершенства самой классификации, а также вследствие исключительного многообразия белков многие из отдельных белков не могут быть отнесены ни к одной из описываемых здесь групп.

Все белки принято  делить на простые белки ,или протеины, и сложные белки , или протеиды (комплексы белков с небелковыми  соединениями).Простые белки являются полимерами только аминокислот; сложные, помимо остатков аминокислот, содержат также небелковые, так называемые простетические группы.

Протеины  представляют собой  простые белки, состоящие  только из остатков аминокислот. Они широко распространены в животном и растительном мире.

Гистоны

Имеют сравнительно низкую молекулярную массу (12-13 тыс.), с преобладанием  щелочных свойств. Локализованы в основном в ядрах клеток. Растворимы в слабых кислотах, осаждаются аммиаком и спиртом. Имеют только третичную структуру. В естественных условиях прочно связаны с ДНК и входят в состав нуклеопротеидов. Основная функция -- регуляция передачи генетической информации с ДНК и РНК (возможна блокировка передачи).

Протамины

Самая низкая молекулярная масса (до 12 тыс.). Проявляет выраженные основные свойства. Хорошо растворимы в воде и слабых кислотах. Содержатся в половых клетках и составляют основную массу белка хроматина. Как и гистоны образуют комплекс с ДНК, функция - придают ДНК химическую устойчивость.

Глютелины

Растительные белки, содержащиеся в клейковине семян злаковых и некоторых других, в зеленых частях растений. Нерастворимые в воде, растворах солей и этанола, но хорошо растворимы в слабых растворах щелочей. Содержат все незаменимые аминокислоты, являются полноценными продуктами питания.

Проламины

Растительные белки. Содержатся в клейковине злаковых растений. Растворимы только в 70%-м спирте (это объясняется высоким содержанием пролина и неполярных аминокислот).

Протеиноиды

Белки опорных тканей (кость, хрящ, связки, сухожилия, ногти, волосы). Нерастворимые или трудно растворимые в воде, солевых и водно-спиртовых смесях белки с высоким содержанием серы. К протеиноидам относятся кератин, коллаген, фиброин.

Альбумины

Невысокой молекулярной массой (15-17 тыс.). Характерны кислые свойства. Растворимы в воде, и слабых солевых растворах. Осаждаются нейтральными солями при 100%-м насыщении. Участвуют в поддержании осмотического давления крови, транспортируют с кровью различные вещества. Содержатся в сыворотке крови, молоке, яичном белке.

Глобулины

Молекулярная масса до 100 тыс.. В воде нерастворимы, но растворимы в слабых солевых растворах и осаждаются в менее концентрированных растворах (уже при 50%-м насыщении). Содержатся в семенах растений, особенно в бобовых и масленичных; в плазме крови и в некоторых других биологических жидкостях. Выполняющие функцию иммунной защиты, обеспечивают устойчивость организма к вирусным инфекционным заболеваниям.

Сложные белки делят на ряд классов в  зависимости от характера  простетической группы.

Фосфопротеины

Имеют в качестве небелкового компонента фосфорную кислоту. Представителями данных белков являются казеиноген молока, вителлин (белок желтков яиц). Такая локализация фосфопротеидов свидетельствует о важном их значении для развивающегося организма. У взрослых форм эти белки присутствуют в костной и нервной тканях.

Липопротеины

Сложные белки, простетическая группа которых образована липидами. По строению это небольшого размера (150-200 нм) сферические частицы, наружная оболочка которых  образована белками (что  позволяет им передвигаться по крови), а внутренняя часть -- липидами и их производными. Основная функция липопротеинов -- транспорт по крови липидов. В зависимости от количества белка и липидов, липопротеиды подразделяются на хиломикроны, липопротеиды низкой плотности (ЛПНП) и высокой плотности (ЛПВП), которые иногда обозначаются как - и -липопротеиды.

Металлопротеины

Содержат  катионы одного или  нескольких металлов. Наиболее часто это -- железо, медь, цинк, молибден, реже марганец, никель. Белковый компонент  связан с металлом координационной связью.

Гликопротеины

Простетическая  группа представлена углеводами и их производными. Исходя из химического  строения углеводного  компонента, выделяют 2 группы:

Истинные -- в качестве углеводного компонента наиболее часто встречаются моносахариды. Протеогликаны -- построены из очень большого числа повторяющихся единиц, имеющих дисахаридный характер (гиалуроновая кислота, гипарин, хондроитин, каротинсульфаты).

Функции: структурно-механическую (имеются  в коже, хряще, сухожилиях); каталитическую (ферменты); защитную; участие в регуляции клеточного деления.

Хромопротеины

Выполняют ряд функций: участие  в процессе фотосинтеза  и окислительно-восстановительных  реакциях, транспорт  С и СО₂. Являются сложными белками, простетическая группа которых представлена окрашенными соединениями.

Нуклеопротеины

Роль протеистической  группы выполняет ДНК или РНК. Белковая часть представлена в основном гистонами и протаминами. Такие  комплексы ДНК с протаминами  обнаружены в сперматозоидах, а с  гистонами -- в соматических клетках, где молекула ДНК “намотана” вокруг молекул белка-гистона. Нуклепротеинами по своей природе являются вне клетки вирусы -- это комплексы вирусной нуклеиновой кислоты и белковой оболочки -- капсида.

Состав  и строение

Пептидная связь

Белки представляют собой нерегулярные полимеры, построенные из остатков -аминокислот, общую формулу которых в водном растворе при значениях pH близких к нейтральным можно записать как NH₃⁺CHRCOO- . Остатки аминокислот в белках соединены амидной связью между -амино- и -карбоксильными группами. Связь между двумя -аминокислотными остатками обычно называется пептидной связью, а полимеры, построенные из остатков -аминокислот, соединенных пептидными связями, называют полипептидами. Белок как биологически значимая структура может представлять собой как один полипептид, так и несколько полипептидов, образующих в результате нековалентных взаимодействий единый комплекс.

Все входящие в пептидную  связь атомы располагаются  в одной плоскости (планарная  конфигурация).

Расстояние  между атомами С и N (в -СО-NH-связи) равно 0,1325 нм, то есть меньше нормального расстояния между -углеродным атомом и атомом N той же цепи, выражаемого величиной 0,146 нм. Вместе с тем оно превышает расстояние между атомами С и N, соединенными двойной связью (0,127 нм). Таким образом, связь С и N в -СО-NH -группировке может рассматриваться как промежуточная между простой и двойной вследствие сопряжения р-электронов карбонильной группы со свободными электронами атома азота. Это определенным образом сказывается на свойствах полипептидов и белков: по месту пептидных связей легко осуществляется таутомерная перегруппировка, приводящая к образованию енольной формы пептидной связи, отличающейся повышенной реакционной способностью.

Элементный  состав белков

Белки содержат в среднем около 1 6% азота, 50-55% углерода , 21-23% кислорода , 15-17% азота , 6-7% водорода , 0,3-2,5% серы . В составе отдельных белков обнаружены также фосфор, йод, железо, медь и некоторые другие макро- и микроэлементы, в различных, часто очень малых количествах.

Содержание основных химических элементов в белках может  различаться, за исключением азота, концентрация которого характеризуется  наибольшим постоянством.

Для изучения аминокислотного  состава белков используется главным  образом метод гидролиза, то есть нагревание белка с 6-10 моль/ литр соляной кислотой при температуре 100-110 ⁰С. получают смесь -аминокислот, из которых можно выделить индивидуальные аминокислоты. Для количественного анализа этой смеси в настоящее время применяют ионообменную и бумажную хроматографию. Сконструированы специальные автоматические анализаторы аминокислот.

Разработаны также  ферментативные методы ступенчатого расщепления  белка. Некоторые ферменты расщепляют макромолекулу белка специфически - только в местах нахождения определенной аминокислоты. Так получают продукты ступенчатого расщепления - пептоны и пептиды, последующим анализом которых устанавливают их аминокислотный остаток.

В результате гидролиза  различных белков выделено не более 30 -аминокислот. Двадцать из них встречаются чаще других.

При образовании молекулы белка или полипептида -аминокислоты могут соединяться в различной  последовательности . Возможно огромное число различных комбинаций, например из 20 -аминокислот можно образовать больше 10¹⁸ комбинаций. Существование различного типа полипептидов практически неограничено.

Последовательность  соединения аминокислот в том  или ином белке устанавливают  путем ступенчатого расщепления  или рентгеноструктурным анализом.

Для идентификации  белков и полипептидов используют специфические реакции на белки. Например :

а) ксантопротеиновая  реакция ( появление желтого окрашивания  при взаимодействии с концентрированной  азотной кислотой, которое в присутствии  аммиака становиться оранжевым ; реакция связана с нитрованием  остатков фенилаланина и тирозина);

б) биуретовая реакция  на пептидные связи - действие разбавленного  сульфата меди (II) на слабощелочной  раствор белка сопровождающийся появлением фиолетово-синей окраски  раствора ,что обусловлено комплексообразованием  между медью и полипептидами.

в) реакция Миллона (образование желто-коричневого  окрашивания при взаимодействии с Hg(NO₃)₂ + HNO₃ + HNO₂;

Молекулярная  масса

Белки являются высокомолекулярными  соединениями. Это полимеры, состоящие  из сотен и тысяч аминокислотных остатков -- мономеров. Соответственно и молекулярная масса белков находится в пределах 10000-1000000. Так, в составе рибонуклеазы (фермента, расщепляющего РНК) содержится 124 аминокислотных остатка и ее молекулярная масса составляет примерно 14000. Миоглобин (белок мышц), состоящий из 153 аминокислотных остатков, имеет молекулярную массу 17000, а гемоглобин - 64500 (574 аминокислотных остатка). Молекулярные массы других белков более высокие: -глобулин (образует антитела) состоит из 1250 аминокислот и имеет молекулярную массу около 150000, а молекулярная масса белка вируса гриппа - 320 000 000.

Аминокислоты

В настоящее время  в различных объектах живой природы  обнаружено до 200 различных аминокислот. В организме человека их, например, около 60. Однако в состав белков входят только 20 аминокислот, называемых иногда природными.

Аминокислоты -- органические кислоты, у которых атом водорода -углеродного атома замещен на аминогруппу -NH₂. Следовательно, по химической природе это -аминокислоты с общей формулой:

COOH

H-C*-NH₂

R

Из формулы видно, что в состав всех аминокислот  входят следующие общие группировки: -C-, -NH₂, -COOH. Боковые же цепи (радикалы -R) аминокислот различаются. Природа радикалов разнообразна: от атома водорода до циклических соединений. Именно радикалы определяют структурные и функциональные особенности аминокислот.

Все аминокислоты, кроме  простейшей аминоуксусной кислоты -- глицина (NH₃⁺CH₂COO) имеют хиральный атом - C*- и могут существовать в виде двух энантиомеров (оптических изомеров): L-изомер и D-изомер.

В состав всех изученных  в настоящее время белков входят только аминокислоты L-ряда, у которых, если рассматривать хиральный атом со стороны атома H, группы NH₃⁺, COO и радикал -R расположены по часовой стрелке. Необходимость при построении биологически значимой полимерной молекулы строить ее из строго определенного энантиомера очевидна -- из рацемической смеси двух энантиомеров получилась бы невообразимо сложная смесь диастереоизомеров. Вопрос, почему жизнь на Земле основана на белках, построенных именно из L-, а не D--аминокислот, до сих пор остается интригующей загадкой. Следует отметить, что D-аминокислоты достаточно широко распространены в живой природе и, более того, входят в состав биологически значимых олигопептидов.