Белки: история исследования, химсостав, свойства, биологические функции

высказал советский химик Д.Л.Талмуд. Он предположил, что пептидные цепи в составе белковых молекул свернуты в большие кольца, что в свою оче-редь стало шагом к созданию им представления о белковой глобуле.

Одновременно появились данные, свидетельствующие о различном наборе амино-кислот в различных белка. Но закономерности, которым подчиняется последовательность аминокислот в структуре белка, были не ясны.

Первыми ответ на этот вопрос пытались дать М.Бергман и К.Ниман в разработанной ими гипотезе “перемежающихся частот”. Согласно ей последовательность аминокислот-ных остатков в белковой молекуле подчинялась числовым закономерностям, основы ко-торых были выведены из принципов строения белковой молекулы фиброина шелка. Но этот выбор был неудачным, т.к. этот белок фибриллярный, строение же глобулярных белков подчиняется совсем другим закономерностям.

По М.Бергману и К.Ниману, каждая аминокислота встречается в полипептидной цепи через определенной интервал или, как говорил М.Бергман, обладает определенной “пе-риодичностью”.эта периодичность определяется природой аминокислотных остатков.

Молекулу фиброина шелка они представляли себе следующим образом:

Gly•Ala•Gly•Tyr• Gly•Ala•Gly•Arg• Gly•Ala•Gly•x• Gly•Ala•Gly•x•

(Gly•Ala•Gly•Tyr• Gly•Ala•Gly•x• Gly•Ala•Gly•x• Gly•Ala•Gly•x)12

Gly•Ala•Gly•Tyr• Gly•Ala•Gly•x• Gly•Ala•Gly•x• Gly•Ala•Gly•Arg•

(Gly•Ala•Gly•Tyr• Gly•Ala•Gly•x• Gly•Ala•Gly•x• Gly•Ala•Gly•x)13

Гипотеза Бергмана-Нимана оказала значительное влияние на развитие химии амино-кислот  большое количество работ было посвящено ее проверке.

В заключение этой главы следует отметить, что к середине XX в. было накоплено достаточно доказательств справедливости пептидной теории, основные ее положения были дополнены и уточнены. Поэтому центр исследований белков в XX в. лежал уже об-ласти исследования и поиска методов синтеза белка искусственным путем. Эта задача была успешно решена, были разработаны надежные методы определения первичной структуры белка - последовательности аминокислот в пептидной цепи, разработаны методы хими-ческого (абиогенного) синтеза нерегулярных полипептидов (подробнее эти методы рас-сматриваются в гл.8, стр.36), в том числе методы автоматического синтеза полипептидов. Это позволило уже в 1962 г. крупнейшему английскому химику Ф.Сенгеру расшифровать структуру и синтезировать искусственным путем гормон инсулин, что ознаменовало но-вую эру в синтезе полипептидов  функциональных белков.

Глава 3. Химический состав белков.

3.1. 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 соеди-нены между собой амидной связью между -амино- и -карбоксильными группами. Пеп-тидная 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.

3.2. Элементный состав белков

Изучая химический состав белков, необходимо выяснить, во-первых, из каких хими-ческих элементов они состоят, во-вторых, - строение их мономеров. Для ответа на первый вопрос определяют количественный и качественный состав химических элементов белка. Химический анализ показал наличие во всех белках углерода (50-55%), кислорода (21-23%), азота (15-17%), водорода (6-7%), серы (0,3-2,5%). 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 ис-ключением азота, концентрация которого характеризуется наибольшим постоянством и в среднем составляет 16%. Кроме того, содержание азота в других органических веществах мало. В соответствии с этим было предложено определять количество белка по входящему в его состав азоту. Зная, что 1г азота содержится в 6,25 г белка, найденное количество азота умножают коэффициент 6,25 и получают количество белка.

Для определения химической природы мономеров белка необходимо решить две за-дачи: разделить белок на мономеры и выяснить их химический состав. Расщепление белка на его составные части достигается с помощью гидролиза – длительного кипячения белка с сильными минеральными кислотами (кислотный гидролиз) или основаниями (щелочной гидролиз). Наиболее часто применяется кипячение при 110  С с HCl в течение 24 ч. На следующем этапе разделяют вещества, входящие в состав гидролизата. Для этой цели применяют различные методы, чаще всего – хроматографию ( подробнее – глава “Методы исследования…”). Главным частью разделенных гидролизатов оказываются аминокис-лоты.

3.3. Аминокислоты

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

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

R

|

H – C  – NH2

|

COOH

Из этой формулы видно, что в состав всех аминокислот входят следующие общие группировки: – CH2, – NH2, – COOH. Боковые же цепи (радикалы – R ) аминокислот различаются. Как видно из Приложения I химическая природа радикалов разнообразна: от атома водорода до циклических соединений. Именно радикалы определяют структурные и функциональные особенности аминокислот.

Все аминокислоты, кроме простейшей аминоуксусной к-ты глицина (NH3+CH2COO) имеют хиральный атом C и могут существовать в виде двух энантиомеров (оптических изомеров):

H H

C C

COO – COO –

NH3+ R R NH3+

L-изомер 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, построеных именно из L-, а не D--аминокислот, до сих пор остается интри-гующей загадкой. Следует отметить, что D-аминокислоты достаточно широко распро-странены в живой природе и, более того, входят в состав биологически значимых олиго-пептидов.

Из двадцати основных -аминокислот строятся белки, однако остальные, достаточно разнообразные аминокислоты образуются из этих 20 аминокислотных остатков уже в со-ставе белковой молекулы. Среди таких превращений следует в первую очередь отметить образование дисульфидных мостиков при окислении двух остатков цистеина в составе уже сформированных пептидных цепей. В результате образуется из двух остатков цис-теина остаток диаминодикарбоновой кислоты цистина (см. Приложение I). При этом возникает сшивка либо внутри одной полипептидной цепи, либо между двумя различными цепями. В качестве небольшого белка, имеющего две полипептидные цепи, соединенный дисульфидными мостиками, а также сшивки внутри одной из полипептидных цепей:

| |

GIVEQCCASVCSLYQLENYCN

| |

FVNQHLCGSHLVEALYLVCGERGFFYTPKA

Важным примером модификации аминокислотных остатков является превращение остатков пролина в остатки гидроксипролина:

N – CH – CO – N – CH – CO –

CH2 CH2 CH2 CH2

CH2 CHOH

Это превращение происходит, причем в значительном масштабе, при образовании важного белкового компонента соединительной ткани – коллагена.

Еще одним весьма важным видом модификации белков является фосфорилирование гидроксогрупп остатков серина, треонина и тирозина, например:

– NH – CH – CO – – NH – CH – CO –

| |

CH2OH CH2OPO32 –

Аминокислоты в водном растворе находятся в ионизированном состоянии за счет диссоциации амино- и карбоксильных групп, входящих