Состав и строение

Пептидная связь

Белки представляют собой нерегулярные полимеры, построенные из остатков a-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 a-амино- и a-карбоксильными группами. Связь между двумя a-аминокислотными остатками обычно называется пептидной связью, а полимеры, построенные из остатков a-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 a-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 π-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 a-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 a-аминокислот. Двадцать из них встречаются чаще других.

При образовании молекулы белка или полипептида a-аминокислоты могут соединяться в различной последовательности. Возможно огромное число различных комбинаций, например из 20 a-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 массабелков 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: g-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 a-углеродного атома замещен на аминогруппу –NH₂. Следовательно, по химической природе это a-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-a-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.

Структура

При изучении состава белков было установлено, что все они построены по единому принципу и имеют четыре уровня организации: первичную, вторичную, третичную, а отдельные из них и четвертичную структуры.

Первичная структура

Представляет собой линейную цепь аминокислот (полипептид), расположенных в определенной последовательности с четким генетически обусловленным порядком чередования и соединенных между собой пептидными связями.

Пептидная связьобразуется за счет a-карбоксильной группы одной аминокислоты и a-аминной группы другой

К настоящему времени установлены последовательности аминокислот для нескольких тысяч различных белков. Запись структуры белков в виде развернутых структурных формул громоздка и не наглядна. Поэтому используется сокращенная форма записи — трехбуквенная или однобуквенная.

При записи аминокислотной последовательности в полипептидных или олигопептидных цепях с помощью сокращенной символики предполагается, если это особо не оговорено, что a-аминогруппа находится слева, а a-карбоксильная группа — справа. Соответствующие участки полипептидной цепи называют N-концом (аминным концом) и С-концом (карбоксильным концом), а аминокислотные остатки — соответственно N-концевым и С-концевым остатками.

Вторичная структура

Вторичной структурой называют конформацию, которую образует полипептидная цепь. Для высокомолекулярных белков характерна структура спирали.

Впервые такая структура на основе рентгеноструктурного анализа была обнаружена при изучении главного белка волос и шерсти -a- кератина (Л. Полинг). Ее назвали a-структурой или a-спиралью. Обычно в природных продуктах встречаются белки со строением правой спирали, хотя известна и структура левой спирали.

Спиральные структуры белка.

Для полипептидных цепей известно несколько различных типов спиралей. Если при наблюдении вдоль оси спирали она удаляется от наблюдателя по часовой стрелке, то спираль считается правой (правозакрученной), а если удаляется против часовой стрелки — левой (левозакрученной). Наиболее распространена правая a-спираль (предложена Л. Полингом и Р. Кори). Идеальная a-спираль имеет шаг 0,54 нм и число однотипных атомов на один виток спирали 3,6. строение спирали стабилизируется внутримолекулярными водородными связями.

В природных белках существуют лишь правозакрученные a-спиральные конформации полипептидных цепей, что сопряжено с наличием в белковых телах аминокислот только L-ряда (за исключением особых случаев).

При растяжении a-кератина образуется вещество с другими свойствами - b-кератин. При растяжении спираль макромолекулы белка превращается в другую структуру, напоминающую линейную. Отдельные полипептидные цепи здесь связаны межмолекулярными водородными связями. Эта структура называется b-структурой (структура складчатого листа, складчатого слоя)

Складчатые структуры белка.

Одним из распространенных примеров складчатой периодической структуры белка являются так называемые b-складки, состоящие из двух фрагментов, каждый из которых представлен полипептидом.

b-складки также стабилизируются водородными связями между атомом водорода аминной группы одного фрагмента и атомом кислорода карбоксильной группы другого фрагмента. При этом фрагменты могут иметь как параллельную, так и антипараллельную ориентацию относительно друг друга.

Для того чтобы два участка полипептидной цепи располагались в ориентации, благоприятствующей образованию b-складок, между ними должен существовать участок, имеющий структуру, резко отличающийся от периодической.

Возникновение a- и b-структур в белковой молекуле является следствием того, что аминокислоты и в составе полипептидных цепей сохраняют присущую им способность к образованию водородных связей. Таким образом, крайне важное свойство аминокислот — соединяться друг с другом водородными связями в процессе образования кристаллических препаратов — реализуется в виде a-спиральной конформации или b-структуры в белковой молекуле. Следовательно, возникновение указанных структур допустимо рассматривать как процесс кристаллизации участков полипептидной цепи в пределах одной и той же белковой молекулы.