N N N N

По строению белки - это высокомолекулярные азотсодержащие соединения, состоящие из аминокислот. В состав белковых молекул могут входить десятки, сотни и тысячи остатков аминокислот. Однако все белки, независимо от происхождения, содержат лишь 20 видов аминокислот. Строение 20 разновидностей аминокислот, входящих во все белки, можно отразить следующей формулой:

R

H - C - NH₂

COOH

У всех аминокислот можно выделить общую, одинако­вую часть молекулы, содержащую амино- и карбоксильную группы (выделена пунктирной рамкой). Другая же часть мо­лекулы, обозначенная как радикал (R), у каждой из 20 аминокислот имеет специфическое строение, и аминокислоты отличаются друг от друга только радикалами. (Классификация, формулы и некоторые свойства аминокислот приведены в приложении 1).

Аминокислоты, соединяясь друг с другом пептиднойсвязью, образуют длинные неразветвленные цепи - поли­пептиды. Пептидная связь возникает при взаимодействии карбоксильной группы одной аминокислоты и аминогруппы другой аминокислоты с выделением воды:

R₁ R₂

NH₂ - CH - COOH + NH₂ - CH - COOH

- H₂O

R₁ O H R₂

| || | |

NH₂ - CH - C - N - CH - COOH

Пептидная

связь

Пептидные связи обладают высокой прочностью, их об­разуют все аминокислоты.

В состав белковой молекулы входит один или не­сколько полипептидов.

Кроме пептидных, в белках обнаруживаются еще дисульфидные, водородные, ионные и другие связи.

Эти химические связи могут возникать между остатками аминокислот, которые входят в разные участки одного и того же полипептида, или же находятся в разных полипептидах, но обязательно пространственно сближены. В первом случае благодаря таким связям полипептидная цепь принимает определенную пространственную форму. Во втором случае с помощью непептидных связей полипептиды объединяются в белковую молекулу.

В итоге молекула белка является объемным, трехмерным образованием, имеющим определенную пространственную форму. Для удобства рассмотрения пространственного строения молекулы белка условно выделяют четыре уровня её структурной организации.

Первый уровень пространственной организации белковой молекулы называется первичной структурой и представляет собою последовательность расположения аминокислот в полипептидных цепях. Фиксируется эта структура прочными пептидными связями. Другими словами, первичная структура характеризует химическое строение полипептидов, образующих белковую молекулу. Каждый индивидуальный белок имеет уникальную первичную структуру.

Второй уровень пространственной организации – вторичная структура описывает пространственную форму полипептидных цепей. Например, у многих белков полипептидные цепи имеют форму спирали. Фиксируется вторичная структура дисульфидными и различными нековалентными связями.

Третий уровень пространственной организации – третичная структура отражает пространственную форму вторичной структуры. Например, вторичная структура в форме спирали, в свою очередь, может укладываться в пространстве в виде глобулы, т.е. имеет шаровидную или яйцевидную форму. Стабилизируется третичная структура слабыми нековалентными связами, а также дисульфидными связями, и поэтому является самой неустойчивой структурой.

Пространственная форма всей белковой молекулы получила название конформация. Поскольку в молекуле белка наряду с прочными ковалентными связями имеются еще менее прочные (нековалентные) связи, то его конформация характеризуется нестабильностью и может легко изменяться. Изменение пространственной формы белка влияет на его биологические функции. Конформация, находясь в которой белок обладает биологической активностью, называется нативной. Любые воздействия на белок, приводящие к нарушению этой конформации, сопровождаются частичной или полной утратой белком его биологических свойств. Изменение конформации в небольших пределах обратимо и является одним из механизмов регуляции биологических функций белков в организме.

Белки делятся на простые (протеины) и сложные (протеиды). Простые белки состоят только из аминокислот, т.е. из одного или нескольких полипептидов. К простым белкам, имеющимся в организме человека, относятся альбумины, глобулины, гистоны, белки опорных тканей. В молекуле сложного белка, кроме аминокислот, еще имеется неаминокислотная часть, называемая простетической группой. В зависимости от строения простетической группы выделяют такие сложные белки, как фосфопротеиды (содержат в качестве простетической группы фосфорную кислоту), нуклеопротеиды (содержат нуклеиновую кислоту), гликопротеиды (содержат углевод), липопротеиды (содержат липоид), хромопротеиды (содержат окрашенную простетическую группу) и др.

Возможна и другая классификация белков, вытекающая из их пространственной формы. В этом случае белки разделяются на два больших класса: глобулярные и фибриллярные.

1.1.3. Физико-химические свойства белков.

1.1.3.1. Молекулярная массабелков.

Белки, являясь высокомолекулярными соединениями, характеризуются большими величинами молекулярной массы. Поскольку в молекулы белков могут входить десятки, сотни и тысячи аминокислот, то их молекулярная масса колеблется в большом диапазоне: от 6000 дальтонов до миллионов. В качестве примера можно привести величины молекулярной массы следующих белков:

Инсулин (гормон поджелудочной железы) – 6000 Да

Миоглобин (переносчик кислорода в мышечных клетках) – 17000 Да

Гемоглобин (белок красных клеток крови) – 68000 Да

Миозин (сократительный белок мышц) – 500000 Да

Глутаматдегидрогеназа (фермент печени) – 1000000 Да

1.1.3.2. Амфотерность белков.

Амфотерность белков (наличие у молекул как кислотных, так и оснόвных свойств) обусловлена присутствием в их молекулах свободных карбоксильных групп (кислотные группы) и аминогрупп (оснόвные группы). Эти группы входят в состав радикалов аминокислот и, как было выше указано, не участвуют в образовании пептидных связей. Проявление белками кислотных или осноόвных свойств зависит от кислотности среды.

В кислой среде (рН < 7) вследствие избытка ионов водорода (протонов) диссоциация карбоксильных групп подавлена. Свободные аминогруппы легко присоединяют к себе имеющиеся в избытке протоны и переходят в протонированную форму:

 

СООН СООН СООН СООН

+ H⁺

NH₂ NH₃⁺

NH₂ COOH NH₃⁺ COOH

Таким образом, белки в кислой среде проявляют оснóвные (щелочные) и находятся в катионной форме (их молекулы заряжены положительно).

В щелочной среде (рН > 7) преобладают ионы гидроксила (ОН^-),ионов водорода мало. В этих условиях легко протекает диссоциация карбоксильных групп, протонирование аминогрупп практически не происходит:

СООН СООН СОО^- СОО-

+ ОH^-

NH₂ NH₂

NH₂ COOH NH₂ COO^-

Поэтому в щелочной среде белки обладают кислотными свойствами и находятся в анионной форме (их молекулы заряжены отрицательно).

Однако при определенной кислотности в молекуле белка может быть одинаковое количество диссоциированных карбоксильных групп (-СОО^-) и протонированных аминогрупп (-NH₃⁺). Такая белковая молекула не имеет заряда и является нейтральной.

СОО^- СООН

NH₃⁺

NH₃⁺ COO^-

Значение рН, при котором молекулы белка нейтральны, называется изоэлектрической точкой белка и обозначается рI или рН_иэт.. Для каждого белка изоэлектрическая точка имеет строго определенную величину. Значение рI зависит от соотношения в молекуле белка между аминокислотами, содержащими в радикале карбоксильную группу (моноаминодикарбоновые кислоты), и аминокислотами, содержащими в радикале аминогруппу (диаминомонокарбоновые кислоты). Если в белке преобладают аминокислоты с дополнительной карбоксильной группой, то значение изоэлектрической точки находится в кислой среде (рI < 7). В случае преобладания аминокислот со свободными аминогруппами изоэлектрическая точка имеет величину больше 7, т.е. находится в щелочной среде.

По значению рI можно установить заряд белка, находящегося в растворе с известным рН. Если рН раствора больше величины изоэлектрической точки, молекулы белка имеют отрицательный заряд. В растворах, у которых рН меньше изоэлектрической точки растворенного белка, белковые молекулы заряжены положительно и находятся в катионной форме. При этом, чем больше отклонение рН от рI, тем больше величина соответственно отрицательного или положительного заряда.

Следовательно при повышении или снижении кислотности изменяется заряд белковых молекул, что сказывается на свойствах белка и, в том числе, на его функциональной активности.

1.1.3.3. Растворимость белков.

Не смотря на большой размер молекул (1-100 нм [3]), белки хорошо растворяются в воде и их растворы близки по свойствам к коллоидным растворам. Высокая стабильность белковых растворов обеспечивается факторами устойчивости.

Один из них – это наличие у белковых молекул заряда. Как выше отмечалось, только при одном строго определенном значении рН, равном изоэлектрической точке, белок нейтрален, при всех остальных значениях рН белковые молекулы имеют какой-то заряд. Благодаря наличию заряду при столкновениях молекулы белка отталкиваются друг от друга, и их объединения в более крупные частицы не происходит.

Второй фактор устойчивости белковых растворов заключается в наличие у белковых молекул гидратной (водной) оболочки. Образование гидратной оболочки обусловлено тем, что различные неполярные (гидрофобные) группировки обычно располагаются внутри белковой молекулы, а полярные (гидрофильные) группы (-СООН, -NН₂, -OH, -SH, пептидные связи -СО-NH-) находятся на поверхности белковой молекулы. К этим полярным группам присоединяются молекулы вода, вследствие чего молекула белка окружается слоем из ориентированных молекул воды. Поэтому при столкновениях молекулы белка отделены друг от друга гидратными оболочками и их соединения не происходит.

 

1.1.3.4. Высаливание белков.

Высаливание – это выпадение белка в осадок под действием водоотнимающих средств, к которым, в первую, очередь, относятся соли (Na₂SO₄,, (NH₄)₂SO₄ и др.). Ионы солей, подобно белкам, также хорошо связывают воду. При высоких концентрациях вследствие низкой молекулярной массы солей количество их ионов огромно по сравнению с макромолекулами белков. В результате бóльшая часть воды связывается с ионами солей, что приводит значительному уменьшению гидратных оболочек у белков, снижению их растворимости и выпадением в осадок.

Наиболее эффективно высаливание при рН, равном изоэлектрической точке осаждаемого белка. В этом случае белок не только теряет гидратную оболочку, но и лишается заряда, что приводит к его полному осаждению.

Процесс высаливания не затрагивает структуру белковых молекул, и поэтому в осадок выпадает белок, сохраняющий свою нативность, т.е. свои биологические свойства.

Высаливание – процесс обратимый. При удалении водоотнимающего средства или при добавлении воды осадок белка растворяется и образуется полноценный раствор белка.

 

1.1.3.5. Денатурация белков.

Под денатурацией понимается потеря белком его нативности. Денатурация, как правило, сопровождается выпадением белка в осадок.

Денатурация вызывается физическими и химическими факторами.

Физическими факторами являются: нагревание (выше 50-60°С), различные виды излучения (ультрафиолетовое и ионизирующее излучение), ультразвук, вибрация.

К химическим факторам относятся: сильные кислоты и щелочи, соли тяжелых металлов, некоторые органические кислоты (трихлоруксусная и сульфосалициловая [4]).

Под влиянием перечисленных факторов в молекулах белков разрываются различные непептидные связи, что вызывает разрушение высших (кроме первичной) структур и переход белковых молекул в новую пространственную форму. Такое изменение конформации приводит к утрате белками их биологической активности.

При кратковременном действии денатурирующих факторов конфомационные изменения незначительны, и поэтому возможен переход белка снова в нативную форму и восстановление его биологических свойств (ренатурация).

Продолжительное воздействие факторов денатурации вызывает необратимое глубокое изменение трехмерной структуры белковых молекул, что делает ренатурацию невозможной.

1.2. Нуклеиновые кислоты.

По своему строениюнуклеиновые кислотыявляются полинуклеотидами, состоящими из очень большого количества мононуклеотидов (нуклеотидов). Любой нуклеотид обязательно включает в себя азотистое основание (циклическое соединение, содержащее атомы азота и обладающее щелочными свойствами), углевод и фосфорную кислоту.

1.2.1. Строение мононуклеотидов.

Азотистые основания бывают двух типов: пуриновые и пиримидиновые.

К пуриновым основаниям относятся аденин и гуанин, имеющие следующее строение:

NH₂ OH

N N N N

 

NH₂