Белки: история исследования, химсостав, свойства, биологические функции

Глава 1. Введение.

Довольно банальными стали сейчас сообщения о революции в биологии. Бесспорным считается и то, что эти революционные изменения были связаны с формированием на стыке биологии и химии комплекса наук, среди которых центральное положение занимали и занимают молекулярная биология и биоорганическая химия.

“Молекулярная биология  наука, ставящая своей целью познание природы явлений жизнедеятельности путем изучения биологических объектов и систем на уровне, прибли-жающемся к молекулярному… характерные проявления жизни… обусловлены структурой, свойствами и взаимодействием молекул биологически важных веществ, в первую очередь белков и нуклеиновых кислот”

“Биоорганическая химия - наука, изучающая вещества, лежащие в основе процессов жизнедеятельности…основные объекты биоорганической химии  биополимеры (белки и пептиды, нуклеиновые кислоты и нуклеотиды, липиды, полисахариды и т.д.).

Из этого сопоставления становится очевидным, сколь важно для развития современ-ной биологии изучение белков.

Глава 2. История исследования белка

2.1. Начальные этапы в химии белка

Белок попал в число объектов химических исследований 250 лет тому назад. В 1728 году итальянский ученый Якопо Бартоломео Беккари получил из пшеничной муки первый препарат белкового вещества – клейковины. Он подверг клейковину сухой перегонке и убедился, что продукты такой перегонки были щелочными. Это было первое доказатель-ство единства природы веществ растительного и животного царств. Он опубликовал ре-зультаты своей работы в 1745 году, и это была первая статья о белке.

В XVIII – начале XIX веков неоднократно описывали белковые вещества раститель-ного и животного происхождения. Особенностью таких описаний было сближение этих веществ и сопоставление их с веществами неорганическими.

Важно отметить, что в это время, еще до появления элементного анализа, сложилось представление о том, что белки из различных источников – это группа близких по общим свойствам индивидуальных веществ.

В 1810 году Ж. Гей-Люссак и Л. Тенар впервые определили элементный состав бел-ковых веществ. В 1833 году Ж. Гей-Люссак доказал, что в белках обязательно присутствует азот, а вскоре было показано, что содержание азота в различных белках приблизительно одинаково. В это же время английский химик Д. Дальтон попытался изобразить первые формулы белковых веществ. Он представлял их довольно просто устроенными веществами, но чтобы подчеркнуть их индивидуальное различие при одинаковом составе, он прибег к изображению молекул, которые бы сейчас назвали изомерными. Однако понятия изомерии во времена Дальтона еще не было.

Были выведены первые эмпирические формулы белков и выдвинуты первые гипотезы относительно закономерностей их состава. Так, Н.Либеркюн считал, что альбумин опи-сывается формулой C72H112N18SO22, а А.Данилевский полагал, что молекула этого белка по крайней мере на порядок больше: C726H1171N194S3O214.

Немецкий химик Ю. Либих в 1841 году предположил, что белки животного проис-хождения имеют аналоги среди растительных белков: усвоение белка легумина в орга-низме животного, по Либиху, вело к накоплению аналогичного белка – казеина. Одной из самых распространенных теорий доструктурной органической химии была теория ради-калов – неизменных компонентов родственных веществ. В 1836 году голландец Г. Мульдер высказал предположение о том, что все белки содержат один и тот же радикал, который он назвал протеином (от греческого слова “первенствую”, “занимаю первое место”). Протеин, по Мульдеру, имел состав Pr = C40H62N10O12. В 1838 году Г. Мульдер опубликовал формулы белков, построенные на основании теории протеина. Это были т.н. дуалистические фор-мулы, где радикал протеина служил положительной группировкой, а атомы серы или фосфора – отрицательной . Вместе они образовывали электронейтральную молекулу: бе-лок сыворотки крови Pr10S2P, фибрин Pr10SP. Однако аналитическая проверка данных Г. Мульдера, проведенная русским химиком Лясковским, а также Ю. Либихом, показала, что “белковых радикалов” не существует.

В 1833 году немецкий ученый Ф. Розе открыл биуретовую реакцию на белки – одну из основных цветных реакций на белковые вещества и их производные в настоящее время (подробнее о цветных реакциях на стр.53). Был сделан также вывод о том, что это самая чувствительная реакция на белок, поэтому она в то время привлекла наибольшее внимание химиков.

В середине XIX века были разработаны многочисленные методы экстракции белков, очистки и выделения их в растворах нейтральных солей. В 1847 году К. Рейхерт открыл способность белков образовывать кристаллы. В 1836 году Т. Шванн открыл пепсин – фермент, расщепляющий белки. В 1856 году Л. Корвизар открыл еще один подобный фермент – трипсин. Изучая действие этих ферментов на белки, биохимики пытались раз-гадать тайну пищеварения. Однако наибольшее внимание внимание привлекли вещества, получающиеся в результате действия на белки протелитических фермнтов (протеаз, к ним относятся вышеприведенные ферменты): одни из них были фрагментами исходных моле-кул белка (их назвали пептонами), другие же не подвергались дальнейшему расщеплению протеазами и относились к известному еще с начала века классу соединений – аминокислот (первое аминокислотное производное – амид аспарагин был открыт в 1806 году, а первая аминокислота – цистин в 1810). Аминокислоты в составе белков впервые обнаружил в 1820 году французский химик А. Браконно. Он применил кислотный гидролиз белка и в гид-ролизате обнаружил сладковатое вещество, названное им глицином. В 1839 году было доказано существование в составе белков лейцина, а в 1849 году Ф. Бопп выделил из белка еще одну аминокислоту – тирозин (полный список дат открытий аминокислот в белках см. Приложение II).

К концу 80-х гг. XIX века из белковых гидролизатов было выделено уже 19 амино-кислот и стало медленно укрепляться мнение, что сведения о продуктах гидролиза белков несут важную информацию о строении белковой молекулы. Тем не менее, аминокислоты считались обязательным, но неглавным компонентом белка.

В связи с открытиями аминокислот в составе белков французский ученый П. Шют-ценберже в 70-х гг. XIX века предложил т. н. уреидную теорию строения белка. Согласно ей молекула белка состояла из центрального ядра, роль которого выполняла молекула ти-розина, и присоединенных к нему (с замещением 4 атомов водорода) слож ных группи-ровок, названных Шютценберже лейцинами. Однако гипотеза было очень слабо подкре-плена экспериментально, и дальнейшие исследования показали несостоятельность.

2.2. Теория “углеазотных комплексов” А.Я.Данилевского

Оригинальную теорию о строении белка высказал в 80-х гг. XIX века русский био-химик А. Я. Данилевский. Первым из химиков он обратил внимание на возможный поли-мерный характер строения белковых молекул. В начале 70-х гг. он писал А.М. Бутлерову, что “частицы альбумина есть смешанный полимерид”, что для определения белка он не находит “термина более подходящего, чем слово полимер в широком смысле”. Изучая биуретовую реакцию он предположил, что эта реакция связана со структурой переме-жающихся атомов углерода и азота – N – C – N – C – N – , которые входят в т.н. угле-азотный комплекс R’ – NH – CO – NH – CO – R”. На основе данной формулы Данилевский полагал, что в молекуле белка содержится 40 таких углеазотных комплексов. Отдельные углеазотноаминокислотные комплекс, по Данилевскому, выглядели так:

R – NH – CO – NH – CO – NH – CH2 – COOH

Глицин

R – NH – CO – NH – CO – NH – C2H4 – COOH

Аланин

R – NH – CO – NH – CO – NH – C2H3(OH) – COOH

Серин

По Данилевскому углеазотные комплексы могли соединяться эфирной или амидной связью с образованием высокомолекулярной структуры.

2.3. Теория “киринов” А.Косселя

Немецкий физиолог и биохимик А. Коссель, изучая протамины и гистоны, относи-тельно просто устроенные белки, он установил, что при их гидролизе образуется большое количество аргинина. Кроме того он открыл в составе гидролизата неизвестную тогда аминокислоту – гистидин. На основании этого Коссель предположил, что эти белковые вещества можно рассматривать как некие простейшие модели более сложных белков, по-строенных, по его мнению, согласно следующему принципу: аргинин и гистидин состав-ляют центральное ядро (“протаминовое ядро”), которое окружено комплексами из других аминокислот.

Теория Косселя представляла собой наиболее совершенный пример развития гипо-тезы о фрагментарном строении белков (впервые предложенной, как было сказано выше, Г.Мульдером). Этой гипотезой воспользовался немецкий химик М. Зигфрид в начале XX века. Он полагал, что белки построены из комплексов аминокислот (арги-нин+лизин+глутаминовая к-та), названных им киринами (от греческого “кириос”  ос-новной). Однако эта гипотеза была высказана в 1903 году, когда Э. Фишер активно раз-рабатывал свою пептидную теорию, давшую ключ к тайне строения белков.

2.4. Пептидная теория Э.Фишера

Немецкий химик Эмиль Фишер, уже прославившийся на весь мир исследованиями пуриновых соединений (алкалоидов группы