Белки являются биополимерами, мономерами которых являются остатки альфа-аминокислот, соединенные между собой посредством пептидных связей. Аминокислотная последовательность каждого белка строго определена, в живых организмах она зашифрована посредством генетического кода, на основе считывания которого и происходит биосинтез белковых молекул. В построении белков участвует 20 аминокислот.
Различают следующие виды структуры белковых молекул:
Таким образом, соединенные в определенной последовательности аминокислоты образуют полипептидную цепь, отдельные части которой сворачиваются в спираль или формируют складки. Такие элементы вторичной структур образуют глобулы, формируя третичную структуру белка. Отдельные глобулы взаимодействуют между собой, образуя сложные белковые комплексы с четвертичной структурой.
Существует несколько критериев, по которым можно классифицировать белковые соединения. По составу различают простые и сложные белки. Сложные белковые вещества содержат в своем составе неаминокислотные группы, химическая природа которых может быть различной. В зависимости от этого выделяют:
Также существует классификация по общему типу строения:
Протеинами называют простые (однокомпонентные) белки, состоящие лишь из остатков аминокислот. В зависимости от растворимости они делятся на следующие группы:
Подобная классификация не совсем точна, ведь согласно последним исследованиям многие простые белки связаны с минимальным количеством небелковых соединений. Так, в состав некоторых протеинов входят пигменты, углеводы, иногда липиды, что делает их больше похожими на сложные белковые молекулы.
Физико-химические свойства белков обусловлены составом и количеством входящих в их молекулы остатков аминокислот. Молекулярные массы полипептидов сильно колеблются: от нескольких тысяч до миллиона и более. Химические свойства белковых молекул разнообразны, включают в себя амфотерность, растворимость, а также способность к денатурации.
Поскольку в состав белков входят и кислые, и основные аминокислоты, то всегда в составе молекулы будут свободные кислые и свободные основные группы (СОО- и NН3+ соответственно). Заряд определяется соотношением основных и кислых аминокислотных групп. По этой причине белки заряжены “+”, если уменьшается рН, и наоборот, “-”, если рН увеличивается. В случае, когда рН соответствует изоэлектрической точке, белковая молекула будет иметь нулевой заряд. Амфотерность важна для осуществления биологических функций, одной из которых является поддержание уровня рН в крови.
Классификация белков по свойству растворимости уже была приведена выше. Растворимость белковых веществ в воде объясняется двумя факторами:
Физико-химическое свойство денатурации представляет собой процесс разрушения вторичной, третичной структуры белковой молекулы под влиянием ряда факторов: температуры, действии спиртов, солей тяжелых металлов, кислот и других химических агентов.
Важно! Первичная структура при денатурации не разрушается.
Химические свойства белков можно рассмотреть на примере реакций их качественного обнаружения. Качественные реакции позволяют определить наличие пептидной группы в соединении:
1. Ксантопротеиновая. При действии на белок азотной кислоты высокой концентрации образуется осадок, который при нагревании приобретает желтый цвет.
2. Биуретовая. При действии на слабощелочной раствор белка сульфата меди образуются комплексные соединения между ионами меди и полипептидами, что сопровождается окрашиванием раствора в фиолетово-синий цвет. Реакция используется в клинической практике для определения концентрации белка в сыворотке крови и других биологических жидкостях.
Еще одним важнейшим химическим свойством является обнаружение серы в белковых соединениях. С этой целью щелочной раствор белка нагревают с солями свинца. При этом получают черный осадок, содержащий сульфид свинца.
Благодаря своим физическим и химическим свойствам белки выполняют большое количество биологических функций, в перечень которых входят:
Белки важны для организма человека, поскольку участвуют в образовании клеток, обеспечивают сокращение мышц у животных, вместе с сывороткой крови переносят многие химические соединения. Помимо этого, белковые молекулы являются источником незаменимых аминокислот и осуществляют защитную функцию, участвуя в выработке антител и формировании иммунитета.
Белки – сложнейшие соединения, без которых сложно представить жизнедеятельность любого организма. Выделено более 5000 белковых молекул, но каждый индивидуум обладает собственным набором белков и этим отличается от других особей своего вида.
Важнейшие химические и физические свойства белков обновлено: Октябрь 29, 2018 автором: Научные Статьи.Ру
Форма белковой молекулы . Исследования нативной конформации белковых молекул показали, что эти частицы в большинстве случаев имеют более или менее асимметричную форму. В зависимости от степени асимметрии, т. е. соотношения между длинной (b) и короткой (а) осями белковой молекулы различают глобулярные (шаровидные) и фибриллярные (нитевидные) белки.
Глобулярными являются белковые молекулы, у которых свертывание полипептидных цепочек привело к образованию сферической структуры. Среди них встречаются строго шаровидные, эллипсовидные и палочкообразные. Они различаются по степени асимметрии. Например, яичный альбумин имеет b/а = 3, глиадин пшеницы - 11, а зеин кукурузы - 20. Многие белки в живой природе являются глобулярными.
Фибриллярные белки образуют длинные высокоасимметричные нити. Многие из них выполняют структурную или механическую функцию. Таковы коллаген (b/а — 200), кератины, фиброин.
Белкам каждой из групп присущи свои характерные свойства. Многие глобулярные белки растворимы в воде и разбавленных солевых растворах. Растворимым фибриллярным белкам свойственны очень вязкие растворы. Глобулярные белки, как правило, обладают хорошей биологической ценностью - усваиваются в процессе пищеварения, в то время как многие фибриллярные белки - нет.
Между глобулярными и фибриллярными белками отсутствует четкая граница. Ряд белков занимает промежуточное положение и сочетает в себе признаки как глобулярных, так и фибриллярных. К таким белкам относятся, например, миозин мышц (b/а = 75) и фибриноген крови (b/а = 18). Миозин имеет палочковидную форму, сходную с формой фибриллярных белков, однако, подобно глобулярным белкам, он растворим в солевых растворах. Растворы миозина и фибриногена вязкие. Эти белки усваиваются в процессе пищеварения. В то же время актин - глобулярный белок мышц - не усваивается.
Денатурация белка . Нативная конформация белковых молекул не является жесткой, она довольно лабильна (лат. «labilis» - скользящий) и при ряде воздействий может серьезно нарушаться. Нарушение нативной конформации белка, сопровождающееся изменением его нативных свойств без разрыва пептидных связей, называется денатурацией (лат. «denaturare » - лишать природных свойств) белка.
Денатурация белков может быть вызвана различными при-чинами, приводящими к нарушению слабых взаимодействий, а также к разрыву дисульфидных связей, стабилизирующих их нативную структуру.
Нагревание большинства белков до температуры выше 50°С, а также ультрафиолетовое и другие виды высокоэнергетического облучения усиливают колебания атомов полипептидной цепи, что приводит к нарушению в них различных связей. Денатурацию белка способно вызвать даже механическое встряхивание.
Денатурация белков также происходит вследствие химического воздействия. Сильные кислоты или щелочи влияют на ионизацию кислотных и основных групп, вызывая нарушение ионных и некоторых водородных связей в молекулах белков. Мочевина (H 2 N-CO-NH 2) и органические растворители - спирты, фенолы и др. - нарушают систему водородных связей и ослабляют в белковых молекулах гидрофобные взаимодействия (мочевина - за счет нарушения структуры воды, органические растворители - вследствие установления контактов с неполярными радикалами аминокислот). Меркаптоэтанол разрушает в белках дисульфидные связи. Ионы тяжелых металлов нарушают слабые взаимодействия.
При денатурации происходит изменение свойств белка и, в первую очередь, уменьшение его растворимости. Например, при кипячении белки коагулируют и выпадают из растворов в осадок в виде сгустков (как при варке куриного яйца). Осаждение белков из растворов происходит также под воздействием белковых осадителей, в качестве которых применяют трихлоруксусную кислоту, реактив Барнштейна (смесь гидроксида натрия с сульфатом меди), раствор таннина и др.
При денатурации уменьшается водопоглотительная способность белка, т. е. его способность к набуханию; могут появляться новые химические группы, например: при воздействии мер каптоэтанола - SH-группы. В результате денатурации белок теряет свою биологическую активность.
Хотя первичная структура белка при денатурации не нарушается, изменения являются необратимыми. Однако, например, при постепенном удалении мочевины методом диализа из раствора денатурированного белка происходит его ренатурация: нативная структура белка восстанавливается, а вместе с ней, в той или иной степени, - и его нативные свойства. Такая денатурация называется обратимой .
Необратимая денатурация белков происходит в процессе старения организмов. Поэтому, например, семена растений, даже при оптимальных условиях хранения, постепенно теряют свою всхожесть.
Денатурация белков имеет место при выпечке хлеба, сушке макарон, овощей, в ходе приготовления пищи и т. д. В результате повышается биологическая ценность этих белков, так как в процессе пищеварения легче усваиваются денатурированные (частично разрушенные) белки.
Изоэлектрическая точка белка . В белках содержатся раз-личные основные и кислотные группы, которые обладают способностью к ионизации. В сильнокислой среде активно протонируются основные группировки (аминогруппы и др.), и молекулы белка приобретают суммарный положительный заряд, а в сильнощелочной среде - легко диссоциируют карбоксильные группы, и молекулы белка приобретают суммарный отрицательный заряд.
Источниками положительного заряда в белках выступают боковые радикалы остатков лизина, аргинина и гистидина, а-аминогруппа остатка N-концевой аминокислоты. Источники отрицательного заряда - боковые радикалы остатков аспарагиновой и глутаминовой кислот, а-карбоксильная группа остатка С-концевой аминокислоты.
При определенном значении рН среды наблюдается равенство положительных и отрицательных зарядов на поверхности белковой молекулы, т. е. ее суммарный электрический заряд оказывается равным нулю. Такое значение рН раствора, при котором молекула белка электронейтральна, называют изоэлектрической точкой белка (pi).
Изоэлектрические точки являются характерными константами белков. Они определяются их аминокислотным составом и структурой: количеством и расположением остатков кислых и основных аминокислот в полипептидных цепях. Изоэлектрические точки белков, в которых преобладают остатки кислых аминокислот, располагаются в области рН<7, а белков, в которых преобладают остатки основных аминокислот - в области рН>7. Изоэлектрические точки большинства белков находятся в слабокислой среде.
В изоэлектрическом состоянии растворы белков обладают минимальной вязкостью. Это связано с изменением формы белковой молекулы. В изоэлектрической точке разноименно заряженные группы притягиваются друг к другу, и белки закручиваются в клубки. При смещении рН от изоэлектрической точки одноименно заряженные группы отталкиваются, и молекулы белка развертываются. В развернутом состоянии белковые молекулы придают растворам более высокую вязкость, чем свернутые в клубки.
В изоэлектрической точке белки обладают минимальной растворимостью и могут легко выпадать в осадок.
Однако осаждения белков в изоэлектрической точке все же не происходит. Этому препятствуют структурированные молекулы воды, удерживающие на поверхности белковых глобул значительную часть гидрофобных аминокислотных радикалов.
Осадить белки можно с помощью органических растворителей (спирта, ацетона), нарушающих систему гидрофобных контактов в молекулах белка, а также высоких концентраций солей (методом высаливания), уменьшающих гидратацию белковых глобул. В последнем случае часть воды идет на растворение соли и перестает участвовать в растворении белка. Такой раствор за недостатком растворителя становится пересыщенным, что влечет за собой выпадение части его в осадок. Белковые молекулы начинают слипаться и, образуя все более крупные частицы, постепенно осаждаться из раствора.
Оптические свойства белка . Растворы белков обладают оптической активностью, т. е. способностью вращать плоскость поляризации света. Это свойство белков обусловлено наличием в их молекулах элементов асимметрии - асимметрических атомов углерода и правозакрученной а-спирали.
При денатурации белка происходит изменение его оптических свойств, что связано с разрушением а-спирали. Оптические свойства полностью денатурированных белков зависят только от наличия в них асимметрических атомов углерода.
По разнице в проявлении белком оптических свойств до и после денатурации можно определить степень его спирализации.
Качественные реакции на белки . Для белков характерны цветные реакции, обусловленные наличием в них тех или иных химических группировок. Эти реакции часто используются для обнаружения белков.
При добавлении к белковому раствору сульфата меди и щелочи появляется сиреневое окрашивание, связанное с образованием комплексов ионов меди с пептидными группами белка. Поскольку эту реакцию дает биурет (H 2 N-CO-NH-CO-NH 2), она получила название биуретовой. Ее часто используют для количественного определения белка, наряду с методом И. Кьельдаля, так как интенсивность возникающей окраски пропорциональна концентрации белка в растворе.
При нагревании растворов белков с концентрированной азотной кислотой появляется желтое окрашивание, обусловленное образованием нитропроизводных ароматических аминокислот. Эту реакцию называют ксантопротеиновой (греч. «ксантос» - желтый).
Многие белковые растворы при нагревании вступают в реакцию с азотнокислым раствором ртути, которая образует с фенолами и их производными комплексные соединения малинового цвета. Это качественная реакция Миллона на тирозин.
В результате нагревания большинства белковых растворов с уксуснокислым свинцом в щелочной среде выпадает черный осадок сульфида свинца. Данная реакция используется для обнаружения серосодержащих аминокислот и называется реакцией Фоля.
Белки – это биополимеры, состоящие из остатков α-аминокислот, соединённых между собой пептидными связями (-CO-NH-). Белки входят в состав клеток и тканей всех живых организмов. В молекулы белков входит 20 остатков различных аминокислот.
Структура белка
Белки обладают неисчерпаемым разнообразием структур.
Первичная структура белка – это последовательность аминокислотных звеньев в линейной полипептидной цепи.
Вторичная структура – это пространственная конфигурация белковой молекулы, напоминающая спираль, которая образуется в результате скручивания полипептидной цепи за счёт водородных связей между группами: CO и NH.
Третичная структура – это пространственная конфигурация, которую принимает закрученная в спираль полипептидная цепь.
Четвертичная структура – это полимерные образования из нескольких макромолекул белка.
Физические свойства
Свойства белков весьма разнообразны, которые они выполняют. Одни белки растворяются в воде, образуя, как правило, коллоидные растворы (например, белок яйца); другие растворяются в разбавленных растворах солей; третьи нерастворимы (например, белки покровных тканей).
Химические свойства
Денатурация – разрушение вторичной, третичной структуры белка под действием различных факторов: температура, действие кислот, солей тяжёлых металлов, спиртов и т.д.
При денатурации под влиянием внешних факторов (температуры, механического воздействия, действия химических агентов и других факторов) происходит измене- ние вторичной, третичной и четвертичной структур белковой макромолекулы, то есть ее нативной пространственной структуры. Первичная структура, а следователь- но, и химический состав белка не меняются. Изменяются физические свойства: сни- жается растворимость, способность к гидратации, теряется биологическая актив-ность. Меняется форма белковой макромолекулы, происходит агрегирование. В то же время увеличивается активность некоторых групп, облегчается воздействие на белки протеолитических ферментов, а, следовательно, он легче гидролизуется.
В пищевой технологии особое практическое значение имеет тепловая денатура- ция белков, степень которой зависит от температуры, продолжительности нагрева и влажности. Это необходимо помнить при разработке режимов термообработке пи- щевого сырья,полуфабрикатов, а иногда и готовых продуктов. Особую роль про- цессы тепловой денатурации играют при бланшировании растительного сырья, суш- ке зерна, выпечке хлеба, получении макаронных изделий. Денатурация белков может вызываться и механическим воздействием (давлением, растиранием, встряхиванием, ультразвуком). К денатурации белков приводит действие химических реагентов (кислот, щелочей, спирта, ацетона). Все эти приемы широко используют в пищевой и биотехнологии.
Качественные реакции на белки :
а) При горении белка – запах палёных перьев.
б) Белок +HNO 3 → жёлтая окраска
в) Раствор белка +NaOH + CuSO 4 → фиолетовая окраска
Гидролиз
Белок + Н 2 О → смесь аминокислот
Функции белков в природе:
· каталитические (ферменты);
· регуляторные (гормоны);
· структурные (кератин шерсти, фиброин шелка, коллаген);
· двигательные (актин, миозин);
· транспортные (гемоглобин);
· запасные (казеин, яичный альбумин);
· защитные (иммуноглобулины) и т.д.
Гидратация
Процесс гидратации означает связывание белками воды, при этом они проявляют гидрофильные свойства: набухают, их масса и объем увеличивается. Набухание бел- ка сопровождается его частичным растворением. Гидрофильность отдельных белков зависит от их строения. Имеющиеся в составе и расположенные на поверхности бел- ковой макромолекулы гидрофильные амидные (–CO–NH–, пептидная связь), амин- ные (NH 2) и карбоксильные (COOH) группы притягивают к себе молекулы воды, строго ориентируя их на поверхность молекулы. Окружая белковые глобулы гидрат- ная (водная) оболочка препятствует устойчивости растворов белка. В изоэлектричес- кой точке белки обладают наименьшей способностью связывать воду, происходит разрушение гидратной оболочки вокруг белковых молекул, поэтому они соединяют- ся, образуя крупные агрегаты. Агрегация белковых молекул происходит и при их обезвоживании с помощью некоторых органических растворителей, например этило- вого спирта. Это приводит к выпадению белков в осадок. При изменении pH среды макромолекула белка становится заряженной, и его гидратационная способность ме- няется.
При ограниченном набухании концентрированные белковые растворы образуют сложные системы, называемые студнями. Студни не текучи, упруги, обладают плас-тичностью, определенной механической прочностью, способны сохранять свою фор- му. Глобулярные белки могут полностью гидратироваться, растворяясь в воде (нап- ример, белки молока), образуя растворы с невысокой концентрацией. Гидрофильные свойства белков имеют большое значение в биологии и пищевой промышленности. Очень подвижным студнем, построенным в основном из молекул белка, является цитоплазма– полужидкое содержимое клетки. Сильно гидратированный студень–сырая клейковина, выделенная из пшеничного теста, она содержит до 65% воды. Гидрофильность, главное качество зерна пшеницы, белков зерна и муки играет боль- шую роль при хранении и переработке зерна, в хлебопечении. Тесто, которое полу- чают в хлебопекарном производстве, представляет собой набухший в воде белок, концентрированный студень, содержащий зерна крахмала.
Пенообразование
Процесс пенообразования–это способность белков образовывать высококонцент- рированные системы «жидкость–газ»,называемые пенами. Устойчивость пены, в ко- торой белок является пенообразователем, зависит не только от его природы и от кон- цнтрации,но и от температуры. Белки в качестве пенообразователей широко исполь- зуются в кондитерской промышленности(пастила, зефир, суфле).Структуру пены имеет хлеб, а это влияет на его вкусовые свойства.
Горение
Белки горят с образованием азота, углекислого газа и воды, а также некоторых других веществ. Горение сопровождается характерным запахом жженых перьев.
Цветные реакции.
Аминокислотный состав и пространственная организация каждого белка определяют его физико-химические свойства. Белки обладают кислотно-основными, буферными, коллоидными и осмотическими свойствами.
Белки как амфотерные макромолекулы
Белки являются амфотерными полиэлектролитами, т.е. сочетают в себе, подобно аминокислотам, кислотные и основные свойства. Однако природа групп, придающих амфотерные свойства белкам, далеко не та же, что у аминокислот. Кислотно-основные свойства аминокислот обусловлены прежде всего наличием α-амино- и α-карбоксильной групп (кислотно-основная пара). В молекулах белков эти группы участвуют в образовании пептидных связей, а амфотерность белкам придают кислотно-основные группы боковых радикалов аминокислот, входящих в белок. Разумеется, в каждой молекуле нативного белка (полипептидной цепи) имеется как минимум по одной концевой α-амино- и α-карбоксильной группе (если у белка только третичная структура). У белка с четвертичной структурой число концевых групп -NН 2 и -СООН равно числу субъединиц, или протомеров. Однако столь незначительное число этих групп не может объяснить амфотерность макромолекул белка. Поскольку большая часть полярных групп находится на поверхности глобулярных белков, то именно они определяют кислотно-основные свойства и заряд белковой молекулы. Кислотные свойства белку придают кислые аминокислоты (аспарагиновая, глутаминовая и аминолимонная), а щелочные свойства - основные аминокислоты (лизин, аргинин, гистидин). Чем больше кислых аминокислот содержится в белке, тем ярче выражены его кислотные свойства, и чем больше входит в состав белка основных аминокислот, тем сильнее проявляются его основные свойства. Слабая диссоциация SН-группы цистеина и фенольной группы тирозина (их можно рассматривать как слабые кислоты) почти не влияет на амфотерность белков.
Буферные свойства . Белки хотя и обладают свойствами буфера, но емкость их при физиологических значениях рН ограничена. Исключение составляют белки, содержащие много гистидина, так как только боковая группа гистидина обладает буферными свойствами в интервале значений рН, близких к физиологическим. Таких белков очень мало. Гемоглобин чуть ли не единственный белок, содержащий до 8% гистидина, является мощным внутриклеточным буфером в эритроцитах, поддерживая рН крови на постоянном уровне.
Заряд белковой молекулы зависит от содержания в ней кислых и основных аминокислот, а точнее, от ионизации кислых и основных групп бокового радикала этих аминокислот. Диссоциация СООН-групп кислых аминокислот вызывает появление отрицательного заряда на поверхности белка, а боковые радикалы щелочных аминокислот несут положительный заряд (за счет присоединения Н + к основным группам). В нативной молекуле белка заряды распределяются асимметрично в зависимости от укладки полипептидной цепи в пространстве. Если в белке кислые аминокислоты преобладают над основными, то в целом молекула белка электроотрицательна, т. е. является полианионом, и наоборот, если преобладают основные аминокислоты, то она заряжена положительно, т. е. ведет себя как поликатион.
Суммарный заряд белковой молекулы, естественно, зависит от рН среды: в кислой среде он положителен, в щелочной отрицателен. То значение рН, при котором белок имеет суммарный нулевой заряд, называется изоэлектрической точкой данного белка. В этой точке белок не обладает подвижностью в электрическом поле. Изоэлектрическая точка каждого белка определяется соотношением кислых и основных групп боковых радикалов аминокислот: чем выше соотношение кислые/основные аминокислоты в белке, тем ниже его изоэлектрическая точка. У кислых белков рН 1 < 7, у нейтральных рН 1 около 7, а у основных рН 1 > 7. При значениях рН среды ниже его изоэлектрической точки белок будет нести положительный заряд, а выше - отрицательный заряд. Усредненная изоэлектрическая точка всех белков цитоплазмы лежит в пределах 5,5. Следовательно, при физиологическом значении рН (около 7,0 - 7,4) клеточные белки имеют общий отрицательный заряд. Избыток отрицательных зарядов белков внутри клетки уравновешивается, как уже говорилось, неорганическими катионами.
Знание изоэлектрической точки очень важно для понимания стабильности белков в растворах, так как в изоэлектрическом состоянии белки наименее устойчивы. Незаряженные частицы белка могут слипаться друг с другом и выпадать в осадок.
Коллоидные и осмотические свойства белков
Поведение белков в растворах имеет некоторые особенности. Обычные коллоидные растворы устойчивы только в присутствии стабилизатора, который препятствует осаждению коллоидов, располагаясь на границе раздела "растворенное вещество - растворитель".
Водные растворы белков являются устойчивыми и равновесными, они со временем не выпадают в осадок (не коагулируют) и не требуют присутствия стабилизаторов. Белковые растворы гомогенны и, в сущности, их можно отнести к истинным растворам. Однако высокая молекулярная масса белков придает их растворам многие свойства коллоидных систем:
Оптические свойства белков . Растворы белков, особенно концентрированные, обладают характерной опалесценцией. При боковом освещении раствора белка лучи света в нем становятся видимыми и образуют светящийся конус или полосу - эффект Тиндаля (в сильно разбавленных растворах белка не видна опалесценция и почти отсутствует светящийся конус Тиндаля). Объясняется этот светорассеивающий эффект дифракцией лучей света частицами белка в растворе. Считается, что в протоплазме клетки белок находится в виде коллоидного раствора - золя. Способность белков и других биологических молекул (нуклеиновых кислот, полисахаридов и т. д.) рассеивать свет используется при микроскопическом изучении клеточных структур: в темном поле микроскопа коллоидные частицы видны как светлые вкрапления в цитоплазме.
Светорассеивающую способность белков и других высокомолекулярных веществ используют для их количественного определения методом нефелометрии, сравнивая интенсивность светорассеивания взвешенными частицами исследуемого и стандартного золя.
Малая скорость диффузии . Диффузией называется самопроизвольное перемещение молекул растворенных веществ вследствие градиента концентраций (от зон с высокой концентрацией к зонам с низкой концентрацией). Белки имеют ограниченную скорость диффузии в сравнении с обычными молекулами и ионами, которые перемещаются в сотни и тысячи раз быстрее, чем белки. Скорость диффузии белков больше зависит от формы их молекул, чем от молекулярной массы. Глобулярные белки в водных растворах подвижнее фибриллярных белков.
Диффузия белков имеет важное значение для нормального функционирования клетки. Синтез белков в любом участке клетки (там, где имеются рибосомы) мог бы привести при отсутствии диффузии к скоплению белков в месте их образования. Внутриклеточное распределение белков происходит путем диффузии. Поскольку скорость диффузии белков невысока, она ограничивает скорость процессов, зависящих от функции диффундирующего белка в соответствующем участке клетки.
Осмотические свойства белков . Белки из-за высокой молекулярной массы не могут диффундировать через полупроницаемую мембрану, тогда как низкомолекулярные вещества легко проходят через такие мембраны. Это свойство белков используют в практике для очистки их растворов от низкомолекулярных примесей. Такой процесс называется диализом.
Неспособность белков диффундировать через полупроницаемые мембраны вызывает явление осмоса, т. е. перемещение молекул воды через полупроницаемую мембрану в раствор белка. Если раствор белка отделить от воды целлофановой мембраной, то, стремясь к достижению равновесия, молекулы воды диффундируют в раствор белка. Однако перемещение воды в пространство, где находится белок, повышает в нем гидростатическое давление (давление столба воды), которое препятствует дальнейшей диффузии молекул воды к белку.
То давление, или сила, которое следует приложить, чтобы остановить осмотический ток воды, называется осмотическим давлением. Осмотическое давление в очень разбавленных растворах белка пропорционально молярной концентрации белка и абсолютной температуре.
Биологические мембраны также непроницаемы для белка, поэтому осмотическое давление, создаваемое белком, зависит от концентрации его внутри и вне клетки. Осмотическое давление, обусловленное белком, называют также онкотическим давлением.
Высокая вязкость растворов белка . Высокая вязкость характерна не только для растворов белка, но вообще для растворов высокомолекулярных соединений. С увеличением концентрации белка вязкость раствора повышается, поскольку повышаются силы сцепления между молекулами белка. Вязкость зависит от формы молекул. Растворы фибриллярных белков всегда более вязки, чем растворы глобулярных белков. На вязкость растворов сильно влияют температура и присутствие электролитов. С повышением температуры вязкость растворов белка снижается. Добавки некоторых солей, например кальция, повышают вязкость, способствуя сцеплению молекул с помощью кальциевых мостикoв. Иногда вязкость белкового раствора увеличивается настолько, что он теряет текучесть и переходит в гелеобразное состояние.
Способность белков к образованию гелей . Взаимодействие между макромолекулами белка в растворе может привести к образованию структурных сеток, внутри которых находятся захваченные молекулы воды. Такие структурированные системы называются гелями или студнями. Считается, что белок протоплазмы клетки может переходить в гелеобразное состояние. Характерный пример - тело медузы является как бы живым студнем, содержание воды в котором до 90%.
Гелеобразование легче протекает в растворах фибриллярных белков; их палочковидная форма способствует лучшему контакту концов макромолекул. Это хорошо известно из бытовой практики. Пищевые студни готовят из продуктов (кости, хрящи, мясо), содержащих в большом количестве фибриллярные белки.
В процессе жизнедеятельности организма гелеобразное состояние белковых структур имеет важное физиологическое значение. Коллагеновые белки костей, сухожилий, хрящей, кожи и т. д. обладают высокой прочностью, упругостью и эластичностью, потому что находятся в гелеобразном состоянии. Отложение минеральных солей при старении снижает их упругость и эластичность. В гелеобразном или студнеобразном виде находится в мышечных клетках актомиозин, выполняющий сократительную функцию.
В живой клетке происходят процессы, напоминающие переход золь - гель. Протоплазма клетки представляет собой золеподобную вязкую жидкость, в которой обнаруживаются островки гелеподобных структур.
Гидратация белков и факторы, влияющие на их растворимость
Белки - гидрофильные вещества. Если растворять сухой белок в воде, то сначала он, как всякое гидрофильное высокомолекулярное соединение, набухает, а затем молекулы белка начинают постепенно переходить в раствор. При набухании молекулы воды проникают в белок и связываются с его полярными группами. Плотная упаковка полипептидных цепей разрыхляется. Набухший белок можно считать как бы обратным раствором, т. е. раствором молекул воды в высокомолекулярном веществе - белке. Дальнейшее поглощение воды приводит к отрыву молекул белка от общей массы и растворению. Но набухание не всегда ведет к растворению; некоторые белки, например коллаген, так и остаются в набухшем виде, поглотив большое количество воды.
Растворение связано с гидратацией белков, т. е. связыванием молекул воды с белками. Гидратная вода так прочно связана с макромолекулой белка, что отделить ее удается с большим трудом. Это говорит не о простой адсорбции, а об электростатическом связывании молекул воды с полярными группами боковых радикалов кислых аминокислот, несущих отрицательный заряд, и основных аминокислот, несущих положительный заряд.
Однако часть гидратной воды связывается пептидными группами, которые образуют с молекулами воды водородные связи. Например, полипептиды с неполярными боковыми группами тоже набухают, т. е. связывают воду. Так, большое количество воды связывает коллаген, хотя этот белок содержит преимущественно неполярные аминокислоты. Вода, связываясь с пептидными группами, раздвигает вытянутые полипептидные цепи. Однако межцепочечные связи (мостики) не дают молекулам белка отрываться друг от друга и переходить в раствор. При нагревании сырья, содержащего коллаген, межцепочечные мостики в коллагеновых волокнах разрываются и освобожденные полипептидные цепи переходят в раствор. Эта фракция частично гидролизованного растворимого коллагена называется желатиной. Желатина по химическому составу близка к коллагену, легко набухает и растворяется в воде, образуя вязкие жидкости. Характерным свойством желатины является способность к гелеобразованию. Водные растворы желатины широко используются в лечебной практике как плазмозамещающее и кровоостанавливающее средство, а способность к гелеобразованию - при изготовлении капсул в фармацевтической практике.
Факторы, влияющие на растворимость белков . Растворимость разных белков колеблется в широких пределах. Она определяется их аминокислотным составом (полярные аминокислоты придают большую растворимость, чем неполярные), особенностями организации (глобулярные белки, как правило, лучше растворимы, чем фибриллярные) и свойствами растворителя. Например, растительные белки - проламины - растворяются в 60-80%-ном спирте, альбумины - в воде и в слабых растворах солей, а коллаген и кератины нерастворимы в большинстве растворителей.
Стабильность растворам белков придают заряд белковой молекулы и гидратная оболочка. Каждая макромолекула индивидуального белка имеет суммарный заряд одного знака, что препятствует их склеиванию в растворе и выпадению в осадок. Все, что способствует сохранению заряда и гидратной оболочки, облегчает растворимость белка и его устойчивость в растворе. Между зарядом белка (или числом полярных аминокислот в нем) и гидратацией существует тесная связь: чем больше полярных аминокислот в белке, тем больше связывается воды (в расчете на 1 г белка). Гидратная оболочка белка иногда достигает больших размеров, и гидратная вода может составлять до 1/5 его массы.
Правда, некоторые белки гидратируются сильнее, а растворяются хуже. Например, коллаген связывает воды больше, чем многие хорошо растворимые глобулярные белки, но не растворяется. Его растворимости мешают структурные особенности - поперечные связи между полипептидными цепями. Иногда разноименно заряженные группы белка образуют много ионных (солевых) связей внутри молекулы белка или между молекулами белков, что мешает образованию связей между молекулами воды и заряженными группами белков. Наблюдается парадоксальное явление: в белке много анионных или катионных групп, а растворимость его в воде низкая. Межмолекулярные солевые мостики вызывают склеивание молекул белка и их выпадение в осадок.
Какие же факторы среды влияют на растворимость белков и их стабильность в растворах?
Нейтральные соли в небольших концентрациях повышают растворимость даже тех белков, которые нерастворимы в чистой воде (например, эвглобулины). Это объясняется тем, что ионы солей, взаимодействуя с противоположно заряженными группами молекул белков, разрушают солевые мостики между молекулами белков. Повышение концентрации солей (увеличение ионной силы раствора) оказывает обратное действие (см. ниже - высаливание).
рН среды влияет на заряд белка, а следовательно, на его растворимость. Наименее устойчив белок в изоэлектрическом состоянии, т. е. когда его суммарный заряд равен нулю. Снятие заряда позволяет молекулам белка легко сближаться, склеиваться и выпадать в осадок. Значит, растворимость и устойчивость белка будут минимальны при рН, соответствующем изоэлектрической точке белка.
Строгой зависимости между температурой и характером растворимости белков не имеется. Одни белки (глобулины, пепсин, фосфорилаза мышц) в водных или солевых растворах с повышением температуры растворяются лучше; другие (альдолаза мышц, гемоглобин и т.д.) хуже.
Если в раствор белка, являющегося полианионом (кислый белок), добавить белок, являющийся поликатионом (основной белок), то они образуют агрегаты. При этом устойчивость вследствие нейтрализации зарядов теряется и белки выпадают в осадок. Иногда эту особенность используют для выделения нужного белка из смеси белков.
Высаливание
Растворы нейтральных солей широко используются не только для повышения растворимости белка, например при выделении его из биологического материала, но и для избирательного осаждения разных белков, т. е. их фракционирования. Процесс осаждения белков нейтральными солевыми растворами называется высаливанием. Характерной особенностью белков, полученных высаливанием, является сохранение ими нативных биологических свойств после удаления соли.
Механизм высаливания состоит в том, что добавляемые анионы и катионы солевого раствора снимают гидратную оболочку белков, являющуюся одним из факторов его устойчивости. Возможно, одновременно происходит и нейтрализация зарядов белка ионами соли, что также способствует осаждению белков.
Способность к высаливанию наиболее выражена у анионов солей. По силе высаливающего действия анионы и катионы располагаются в следующие ряды:
Эти ряды называются лиотропными.
Сильным высаливающим эффектом в этом ряду обладают сульфаты. На практике для высаливания белков чаще всего применяют сульфат натрия и аммония. Кроме солей белки осаждают органическими водоотнимающими средствами (этанол, ацетон, метанол и др.). Фактически это то же высаливание.
Высаливание широко используют для разделения и очистки белков, поскольку многие белки различаются по размеру гидратной оболочки и величине зарядов. Для каждого из них имеется своя зона высаливания, т. е. концентрация соли, позволяющая дегидратировать и осадить белок. После удаления высаливающего агента белок сохраняет все свои природные свойства и функции.
Денатурация (денативация) и ренатурация (ренативация)
При действии различных веществ, нарушающих высшие уровни организации белковой молекулы (вторичную, третичную, четвертичную) с сохранением первичной структуры, белок теряет свои нативные физико-химические и, главное, биологические свойства. Это явление называется денатурацией (денативацией). Оно характерно только для молекул, имеющих сложную пространственную организацию. Синтетические и природные пептиды не способны к денатурации.
При денатурации разрываются связи, стабилизирующие четвертичную, третичную и даже вторичную структуры. Полипептидная цепь разворачивается и находится в растворе или в развернутом виде, или в виде беспорядочного клубка. При этом теряется гидратная оболочка и белок выпадает в осадок. Однако осажденный денатурированный белок отличается от того же белка, осажденного путем высаливания, так как в первом случае он утрачивает нативные свойства, а во втором сохраняет. Это указывает на то, что механизм действия веществ, вызывающих денатурацию и высаливание, разный. При высаливании сохраняется нативная структура белка, а при денатурации разрушается.
Денатурирующие факторы делятся на
К физическим факторам относятся: температура, давление, механическое воздействие, ультразвуковое и ионизирующее излучение.
Тепловая денатурация белков является наиболее изученным процессом. Она считалась одним из характерных признаков белков. Давно известно, что при нагревании белок свертывается (коагулирует) и выпадает в осадок. Большинство белков термолабильны, однако известны белки, очень устойчивые к нагреванию. Например, трипсин, химотрипсин, лизоцим, некоторые белки биологических мембран. Особой устойчивостью к температуре отличаются белки бактерий, обитающих в горячих источниках. Очевидно, у термостабильных белков тепловое движение полипептидных цепей, вызванное нагреванием, недостаточно для разрыва внутренних связей молекул белка. В изоэлектрической точке белки легче подвергаются тепловой денатурации. Этот прием используется в практической работе. Некоторые белки, наоборот, денатурируют при низкой температуре.
К химическим факторам, вызывающим денатурацию, относятся: кислоты и щелочи, органические растворители (спирт, ацетон), детергенты (моющие средства), некоторые амиды (мочевина, соли гуанидина и т. д.), алкалоиды, тяжелые металлы (соли ртути, меди, бария, цинка, кадмия и т. д.). Механизм денатурирующего действия химических веществ зависит от их физико-химических свойств.
Кислоты и щелочи широко используются в качестве осадителей белков. Многие белки денатурируются при крайних значениях рН - ниже 2 или выше 10-11. Но некоторые белки устойчивы к действию кислот и щелочей. Например, гистоны и протамины не денатурируются даже при рН 2 или рН 10. Крепкие растворы этанола, ацетон тоже оказывают денатурирующее влияние на белки, хотя для некоторых белков эти органические растворители используются как высаливающие агенты.
Тяжелые металлы, алкалоиды издавна применяются как осадители; они образуют прочные связи с полярными группами белков и тем самым разрывают систему водородных и ионных связей.
Особо следует остановиться на мочевине и солях гуанидина, которые в больших коцентрациях (для мочевины 8 моль/л, для гуанидина гидрохлорида 2 моль/л) конкурируют пептидными группами за образование водородных связей. В результате происходит диссоциация на субъединицы у белков с четвертичной структурой, а затем и разворачивание полипептидных цепей. Это свойство мочевины настолько ярко, что его широко используют для доказательства наличия четвертичной структуры белка и значения его структурной организации в осуществлении физиологической функции.
Свойства денатурированных белков . Наиболее типичными для денатурированных белков являются следующие признаки.
Последнее качество денатурированного белка широко известно. Термическая или иная обработка продуктов, содержащих белки (главным образом мясные), способствует лучшему перевариванию их с помощью протеолитических ферментов желудочно-кишечного тракта. В желудке человека и животных вырабатывается природный денатурирующий агент - соляная кислота, которая, денатурируя белки, помогает их расщеплению ферментами. Однако наличие соляной кислоты и протеолитических ферментов не позволяет применять белковые лекарственные препараты через рот, ибо они денатурируются и тут же расщепляются, теряя биологическую активность.
Заметим также, что денатурирующие вещества, осаждающие белки, используются в биохимической практике с иными целями, чем высаливающие. Высаливание как прием применяется для выделения какого-то белка или группы белков, а денатурация для освобождения от белка смеси каких-либо веществ. Удаляя белок, можно получить безбелковый раствор или устранить действие этого белка.
Долго считалось, что денатурация необратима. Однако в некоторых случаях удаление денатурирующего агента (такие опыты были сделаны при использовании мочевины) восстанавливает биологическую активность белка. Процесс восстановления физико-химических и биологических свойств денатурированного белка называется ренатурацией или ренативацией. Если денатурированный белок (после удаления денатурирующих веществ) вновь самоорганизуется в исходную структуру, то восстанавливается и его биологическая активность.
| Страница 4 | всего страниц: 7 |
Содержание статьи
БЕЛКИ (статья 1) – класс биологических полимеров, присутствующих в каждом живом организме. С участием белков проходят основные процессы, обеспечивающие жизнедеятельность организма: дыхание, пищеварение, мышечное сокращение, передача нервных импульсов. Костная ткань, кожный, волосяной покров, роговые образования живых существ состоят из белков. Для большинства млекопитающих рост и развитие организма происходит за счет продуктов, содержащих белки в качестве пищевого компонента. Роль белков в организме и, соответственно, их строение весьма разнообразно.
Все белки представляют собой полимеры, цепи которых собраны из фрагментов аминокислот. Аминокислоты – это органические соединения, содержащие в своем составе (в соответствии с названием) аминогруппу NH 2 и органическую кислотную, т.е. карбоксильную, группу СООН. Из всего многообразия существующих аминокислот (теоретически количество возможных аминокислот неограниченно) в образовании белков участвуют только такие, у которых между аминогруппой и карбоксильной группой – всего один углеродный атом. В общем виде аминокислоты, участвующие в образовании белков, могут быть представлены формулой: H 2 N–CH(R)–COOH. Группа R, присоединенная к атому углерода (тому, который находится между амино- и карбоксильной группой), определяет различие между аминокислотами, образующими белки. Эта группа может состоять только из атомов углерода и водорода, но чаще содержит помимо С и Н различные функциональные (способные к дальнейшим превращениям) группы, например, HO-, H 2 N- и др. Существует также вариант, когда R = Н.
В организмах живых существ содержится более 100 различных аминокислот, однако, в строительстве белков используются не все, а только 20, так называемых «фундаментальных». В табл. 1 приведены их названия (большинство названий сложилось исторически), структурная формула, а также широко применяемое сокращенное обозначение. Все структурные формулы расположены в таблице таким образом, чтобы основной фрагмент аминокислоты находился справа.
| Название | Структура | Обозначение |
| ГЛИЦИН | ГЛИ | |
| АЛАНИН | АЛА | |
| ВАЛИН | ВАЛ | |
| ЛЕЙЦИН | ЛЕЙ | |
| ИЗОЛЕЙЦИН | ИЛЕ | |
| СЕРИН | СЕР | |
| ТРЕОНИН | ТРЕ | |
| ЦИСТЕИН | ЦИС | |
| МЕТИОНИН | МЕТ | |
| ЛИЗИН | ЛИЗ | |
| АРГИНИН | АРГ | |
| АСПАРАГИНОВАЯ КИСЛОТА | АСН | |
| АСПАРАГИН | АСН | |
| ГЛУТАМИНОВАЯ КИСЛОТА | ГЛУ | |
| ГЛУТАМИН | ГЛН | |
| ФЕНИЛАЛАНИН | ФЕН | |
| ТИРОЗИН | ТИР | |
| ТРИПТОФАН | ТРИ | |
| ГИСТИДИН | ГИС | |
| ПРОЛИН | ПРО | |
| В международной практике принято сокращенное обозначение перечисленных аминокислот с помощью латинских трехбуквенных или однобуквенных сокращений, например, глицин – Gly или G, аланин – Ala или A. | ||
Среди этих двадцати аминокислот (табл. 1) только пролин содержит рядом с карбоксильной группой СООН группу NH (вместо NH 2), так как она входит в состав циклического фрагмента.
Восемь аминокислот (валин, лейцин, изолейцин, треонин, метионин, лизин, фенилаланин и триптофан), помещенные в таблице на сером фоне, называют незаменимыми, поскольку организм для нормального роста и развития должен постоянно получать их с белковой пищей.
Белковая молекула образуется в результате последовательного соединения аминокислот, при этом карбоксильная группа одной кислоты взаимодействует с аминогруппой соседней молекулы, в результате образуется пептидная связь –CO–NH– и выделяется молекула воды. На рис. 1 показано последовательное соединение аланина, валина и глицина.
Рис. 1 ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ АМИНОКИСЛОТ при образовании белковой молекулы. В качестве основного направления полимерной цепи выбран путь от концевой аминогруппы H 2 N к концевой карбоксильной группе COOH.
Чтобы компактно описать строение белковой молекулы, используют сокращенные обозначения аминокислот (табл. 1, третий столбец), участвующих в образовании полимерной цепи. Фрагмент молекулы, показанный на рис. 1, записывают следующим образом: H 2 N-АЛА-ВАЛ-ГЛИ-COOH.
Белковые молекулы содержат от 50 до 1500 аминокислотных остатков (более короткие цепи называют полипептидами). Индивидуальность белка определяется набором аминокислот, из которых составлена полимерная цепь и, что не менее важно, порядком их чередования вдоль цепи. Например, молекула инсулина состоит из 51 аминокислотного остатка (это один из самых короткоцепных белков) и представляет собой две соединенных между собой параллельных цепи неодинаковой длины. Порядок чередования аминокислотных фрагментов показан на рис. 2.
Рис. 2 МОЛЕКУЛА ИНСУЛИНА , построенная из 51 аминокислотного остатка, фрагменты одинаковых аминокислот отмечены соответствующей окраской фона. Содержащиеся в цепи остатки аминокислоты цистеина (сокращенное обозначение ЦИС) образуют дисульфидные мостики –S-S-, которые связывают две полимерных молекулы, либо образуют перемычки внутри одной цепи.
Молекулы аминокислоты цистеина (табл. 1) содержат реакционно-способные сульфгидридные группы –SH, которые взаимодействуют между собой, образуя дисульфидные мостики –S-S-. Роль цистеина в мире белков особая, с его участием образуются поперечные сшивки между полимерными белковыми молекулами.
Объединение аминокислот в полимерную цепь происходит в живом организме под управлением нуклеиновых кислот, именно они обеспечивают строгий порядок сборки и регулируют фиксированную длину полимерной молекулы ().
Состав белковой молекулы, представленный в виде чередующихся остатков аминокислот (рис. 2), называют первичной структурой белка. Между присутствующими в полимерной цепи имино-группами HN и карбонильными группами CO возникают водородные связи (), в результате молекула белка приобретает определенную пространственную форму, называемую вторичной структурой. Наиболее распространены два типа вторичной структуры белков.
Первый вариант, называемый α-спиралью, реализуется с помощью водородных связей внутри одной полимерной молекулы. Геометрические параметры молекулы, определяемые длинами связей и валентными углами, таковы, что образование водородных связей оказывается возможным для групп H-N и C=O, между которыми находятся два пептидных фрагмента H-N-C=O (рис. 3).
Состав полипептидной цепи, показанной на рис. 3, записывают в сокращенном виде следующим образом:
H 2 N-АЛА ВАЛ-АЛА-ЛЕЙ-АЛА-АЛА-АЛА-АЛА-ВАЛ-АЛА-АЛА-АЛА-COOH.
В результате стягивающего действия водородных связей молекула приобретает форму спирали – так называемая α-спираль, ее изображают в виде изогнутой спиралевидной ленты, проходящей через атомы, образующие полимерную цепь (рис. 4)
Рис. 4 ОБЪЕМНАЯ МОДЕЛЬ МОЛЕКУЛЫ БЕЛКА в форме α-спирали. Водородные связи показаны зелеными пунктирными линиями. Цилиндрическая форма спирали видна при определенном угле поворота (атомы водорода на рисунке не показаны). Окраска отдельных атомов дана в соответствии с международными правилами, которые рекомендуют для атомов углерода черный цвет, для азота – синий, для кислорода – красный, для серы – желтый цвет (для не показанных на рисунке атомов водорода рекомендован белый цвет, в этом случае всю структуру изображают на темном фоне).
Другой вариант вторичной структуры, называемый β-структурой, образуется также при участии водородных связей, отличие состоит в том, что взаимодействуют группы H-N и C=O двух или более полимерных цепей, расположенных параллельно. Поскольку полипептидная цепь имеет направление (рис. 1), возможны варианты, когда направление цепей совпадает (параллельная β-структура, рис. 5), либо они противоположны (антипараллельная β-структура, рис. 6).
В образовании β-структуры могут участвовать полимерные цепи различного состава, при этом органические группы, обрамляющие полимерную цепь (Ph, CH 2 ОН и др.), в большинстве случаев играют второстепенную роль, решающее значение имеет взаиморасположение групп H-N и C=O. Поскольку относительно полимерной цепи H-N и C=O группы направлены в различные стороны (на рисунке – вверх и вниз), становится возможным одновременное взаимодействие трех и более цепей.
Состав первой полипептидной цепи на рис. 5:
H 2 N-ЛЕЙ-АЛА-ФЕН-ГЛИ-АЛА-АЛА-COOH
Состав второй и третей цепи:
H 2 N-ГЛИ-АЛА-СЕР-ГЛИ-ТРЕ-АЛА-COOH
Состав полипептидных цепей, показанных на рис. 6, тот же, что и на рис. 5, отличие в том, что вторая цепь имеет противоположное (в сравнении с рис. 5) направление.
Возможно образование β-структуры внутри одной молекулы, когда фрагмент цепи на определенном участке оказывается повернутым на 180°, в этом случае две ветви одной молекулы имеют противоположное направление, в результате образуется антипараллельная β-структура (рис. 7).
Структура, показанная на рис. 7 в плоском изображении, представлена на рис. 8 в виде объемной модели. Участки β-структуры принято упрощенно обозначать плоской волнистой лентой, которая проходит через атомы, образующие полимерную цепь.
В структуре многих белков чередуются участки α-спирали и лентообразные β-структуры, а также одиночные полипептидные цепи. Их взаиморасположение и чередование в полимерной цепи называют третичной структурой белка.
Способы изображения структуры белков показаны далее на примере растительного белка крамбина. Структурные формулы белков, содержащих часто до сотни аминокислотных фрагментов, сложны, громоздки и трудны для восприятия, поэтому иногда используют упрощенные структурные формулы – без символов химических элементов (рис. 9, вариант А), но при этом сохраняют окраску валентных штрихов в соответствии с международными правилами (рис. 4). Формулу при этом представляют не в плоском, а в пространственном изображении, что соответствует реальной структуре молекулы. Такой способ позволяет, например, различить дисульфидные мостики (подобные тем, которые есть в инсулине, рис. 2), фенильные группы в боковом обрамлении цепи и др. Изображение молекул в виде объемных моделей (шарики, соединенные стержнями) несколько более наглядно (рис. 9, вариант Б). Однако оба способа не позволяют показать третичную структуру, поэтому американский биофизик Джейн Ричардсон предложил изображать α-структуры в виде спирально закрученных лент (см. рис. 4), β-структуры – в виде плоских волнистых лент (рис. 8), а соединяющие их одиночные цепи – в форме тонких жгутов, каждый тип структуры имеет свою окраску. Сейчас широко применяют такой способ изображения третичной структуры белка (рис. 9, вариант В). Иногда для большей информативности показывают совместно третичную структуру и упрощенную структурную формулу (рис. 9, вариант Г). Есть и модификации способа, предложенного Ричардсоном: α-спирали изображают в виде цилиндров, а β-структуры – в форме плоских стрелок, указывающих и направление цепи (рис. 9, вариант Д). Менее распространен способ, при котором всю молекулу изображают в виде жгута, где неодинаковые структуры выделяют различающейся окраской, а дисульфидные мостики показывают в виде желтых перемычек (рис. 9, вариант Д).
Наиболее удобен для восприятия вариант В, когда при изображении третичной структуры особенности строения белка (аминокислотные фрагменты, порядок их чередования, водородные связи) не указывают, при этом исходят из того, что все белки содержат «детали», взятые из стандартного набора двадцати аминокислот (табл. 1). Основная задача при изображении третичной структуры – показать пространственное расположение и чередование вторичных структур.
Рис. 9 РАЗЛИЧНЫЕ ВАРИАНТЫ ИЗОБРАЖЕНИЯ СТРУКТУРЫ БЕЛКА КРАМБИНА
.
А– структурная формула в пространственном изображении.
Б – структура в виде объемной модели.
В – третичная структура молекулы.
Г – сочетание вариантов А и В.
Д – упрощенное изображение третичной структуры.
Е – третичная структура с дисульфидными мостиками.
Наиболее удобна для восприятия объемная третичная структура (вариант В), освобожденная от деталей структурной формулы.
Белковая молекула, обладающая третичной структурой, как правило, принимает определенную конфигурацию, которую формируют полярные (электростатические) взаимодействия и водородные связи. В результате молекула приобретает форму компактного клубка – глобулярные белки (globules, лат . шарик), либо нитевидную – фибриллярные белки (fibra, лат . волокно).
Пример глобулярной структуры – белок альбумин, к классу альбуминов относят белок куриного яйца. Полимерная цепь альбумина собрана, основном, из аланина, аспаргиновой кислоты, глицина, и цистеина, чередующихся в определенном порядке. Третичная структура содержит α-спирали, соединенные одиночными цепями (рис. 10).
Рис. 10 ГЛОБУЛЯРНАЯ СТРУКТУРА АЛЬБУМИНА
Пример фибриллярной структуры – белок фиброин. Он содержат большое количество остатков глицина, аланина и серина (каждый второй аминокислотный остаток – глицин); остатки цистеина, содержащего сульфгидридные группы, отсутствуют. Фиброин – основной компонент натурального шелка и паутины, содержит β-структуры, соединенные одиночными цепями (рис. 11).
Рис. 11 ФИБРИЛЛЯРНЫЙ БЕЛОК ФИБРОИН
Возможность образования третичной структуры определенного типа заложена в первичной структуре белка, т.е. определена заранее порядком чередования аминокислотных остатков. Из определенных наборов таких остатков преимущественно возникают α-спирали (подобных наборов существует достаточно много), другой набор приводит к появлению β-структур, одиночные цепи характеризуются своим составом.
Некоторые белковые молекулы, сохраняя третичную структуру, способны объединяться в крупные надмолекулярные агрегаты, при этом их удерживают вместе полярные взаимодействия, а также водородные связи. Такие образования называют четвертичной структурой белка. Например, белок ферритин, состоящий в основной массе из лейцина, глутаминовой кислоты, аспарагиновой кислоты и гиститдина (в феррицине есть в различном количестве все 20 аминокислотных остатков) образует третичную структуру из четырех параллельно уложенных α-спиралей. При объединении молекул в единый ансамбль (рис. 12) образуется четвертичная структура, в которую может входить до 24 молекул ферритина.
Рис.12 ОБРАЗОВАНИЕ ЧЕТВЕРТИЧНОЙ СТРУКТУРЫ ГЛОБУЛЯРНОГО БЕЛКА ФЕРРИТИНА
Другой пример надмолекулярных образований – структура коллагена. Это фибриллярный белок, цепи которого построены в основном из глицина, чередующегося с пролином и лизином. Структура содержит одиночные цепи, тройные α-спирали, чередующиеся с лентообразными β-структурами, уложенными в виде параллельных пучков (рис. 13).
Рис.13 НАДМОЛЕКУЛЯРНАЯ СТРУКТУРА ФИБРИЛЛЯРНОГО БЕЛКА КОЛЛАГЕНА
При действии органических растворителей, продуктов жизнедеятельности некоторых бактерий (молочнокислое брожение) или при повышении температуры происходит разрушение вторичных и третичных структур без повреждения его первичной структуры, в результате белок теряет растворимость и утрачивает биологическую активность, этот процесс называют денатурацией, то есть потерей натуральных свойств, например, створаживание кислого молока, свернувшийся белок вареного куриного яйца. При повышенной температуре белки живых организмов (в частности, микроорганизмов) быстро денатурируют. Такие белки не способны участвовать в биологических процессах, в результате микроорганизмы погибают, поэтому кипяченое (или пастеризованное) молоко может дольше сохраняться.
Пептидные связи H-N-C=O, образующие полимерную цепь белковой молекулы, в присутствии кислот или щелочей гидролизуются, при этом происходит разрыв полимерной цепи, что, в конечном итоге, может привести к исходным аминокислотам. Пептидные связи, входящие в состав α-спиралей или β-структур, более устойчивы к гидролизу и различным химическим воздействиям (по сравнению с теми же связями в одиночных цепях). Более деликатную разборку белковой молекулы на составляющие аминокислоты проводят в безводной среде с помощью гидразина H 2 N–NH 2 , при этом все аминокислотные фрагменты, кроме последнего, образуют так называемые гидразиды карбоновых кислот, содержащие фрагмент C(O)–HN–NH 2 (рис. 14).
Рис. 14. РАСЩЕПЛЕНИЕ ПОЛИПЕПТИДА
Подобный анализ может дать информацию об аминокислотном составе того или иного белка, однако важнее знать их последовательность в белковой молекуле. Одна из широко применяемых для этой цели методик – действие на полипептидную цепь фенилизотиоцианата (ФИТЦ), который в щелочной среде присоединяется к полипептиду (с того конца, который содержит аминогруппу), а при изменении реакции среды на кислую, отсоединяется от цепи, унося с собой фрагмент одной аминокислоты (рис. 15).
Рис. 15 ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ РАСЩЕПЛЕНИЕ ПОЛИПЕПТИДА
Разработано много специальных методик для подобного анализа, в том числе и такие, которые начинают «разбирать» белковую молекулу на составляющие компоненты, начиная с карбоксильного конца.
Поперечные дисульфидные мостики S-S (образовавшиеся при взаимодействии остатков цистеина, рис. 2 и 9) расщепляют, превращая их в HS-группы действием различных восстановителей. Действие окислителей (кислорода или перекиси водорода) приводит вновь к образованию дисульфидных мостиков (рис. 16).
Рис. 16. РАСЩЕПЛЕНИЕ ДИСУЛЬФИДНЫХ МОСТИКОВ
Для создания дополнительных поперечных сшивок в белках используют реакционную способность амино- и карбоксильных групп. Более доступны для различных взаимодействий аминогруппы, которые находятся в боковом обрамлении цепи – фрагменты лизина, аспарагина, лизина, пролина (табл. 1). При взаимодействии таких аминогрупп с формальдегидом идет процесс конденсации и возникают поперечные мостики –NH–CH2–NH– (рис. 17).
Рис. 17 СОЗДАНИЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ПОПЕРЕЧНЫХ МОСТИКОВ МЕЖДУ МОЛЕКУЛАМИ БЕЛКА .
Концевые карбоксильные группы белка способны реагировать с комплексными соединениями некоторых поливалентных металлов (чаще применяют соединения хрома), при этом также возникают поперечные сшивки. Оба процесса используются при дублении кожи.
Роль белков в организме разнообразна.
Ферменты (fermentatio лат . – брожение), другое их название – энзимы (en zumh греч . – в дрожжах) – это белки, обладающие каталитической активностью, они способны увеличивать скорости биохимических процессов в тысячи раз. Под действием ферментов составные компоненты пищи: белки, жиры и углеводы – расщепляются до более простых соединений, из которых затем синтезируются новые макромолекулы, необходимые организму определенного типа. Ферменты принимают участие и во многих биохимических процессах синтеза, например, в синтезе белков (одни белки помогают синтезировать другие).
Ферменты не только высокоэффективные катализаторы, но и селективные (направляют реакцию строго в заданном направлении). В их присутствии реакция проходит практически со 100%-ным выходом без образования побочных продуктов и при этом условия протекания – мягкие: обычное атмосферное давление и температура живого организма. Для сравнения, синтез аммиака из водорода и азота в присутствии катализатора – активированного железа – проводят при 400–500° С и давлении 30 МПа, выход аммиака 15–25% за один цикл. Ферменты считаются непревзойденными катализаторами.
Интенсивное исследование ферментов началось в середине 19 в., сейчас изучено более 2000 различных ферментов, это самый многообразный класс белков.
Названия ферментов составляют следующим образом: к наименованию реагента, с которым взаимодействует фермент, или к названию катализируемой реакции добавляют окончание -аза, например, аргиназа разлагает аргинин (табл. 1), декарбоксилаза катализирует декарбоксилирование, т.е. отщепление СО 2 от карбоксильной группы:
– СООН → – СН + СО 2
Часто, для более точного обозначения роли фермента в его названии указывают и объект, и тип реакции, например, алкогольдегидрогеназа – фермент, осуществляющий дегидрирование спиртов.
Для некоторых ферментов, открытых достаточно давно, сохранилось историческое название (без окончания –аза), например, пепсин (pepsis, греч . пищеварение) и трипсин (thrypsis греч . разжижение), эти ферменты расщепляют белки.
Для систематизации ферменты объединяют в крупные классы, в основу классификации положен тип реакции, классы именуют по общему принципу – название реакции и окончание – аза. Далее перечислены некоторые из таких классов.
Оксидоредуктазы – ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции. Входящие в этот класс дегидрогеназы осуществляют перенос протона, например алкогольдегидрогеназа (АДГ) окисляет спирты до альдегидов, последующее окисление альдегидов до карбоновых кислот катализируют альдегиддегидрогеназы (АЛДГ). Оба процесса происходят в организме при переработке этанола в уксусную кислоту (рис. 18).
Рис. 18 ДВУХСТАДИЙНОЕ ОКИСЛЕНИЕ ЭТАНОЛА до уксусной кислоты
Наркотическим действием обладает не этанол, а промежуточный продукт ацетальдегид, чем ниже активность фермента АЛДГ, тем медленнее проходит вторая стадия – окисление ацетальдегида до уксусной кислоты и тем дольше и сильнее проявляется опьяняющее действие от приема внутрь этанола. Анализ показал, что более чем у 80% представителей желтой расы относительно низкая активность АЛДГ и потому заметно более тяжелая переносимость алкоголя. Причина такой врожденной пониженной активности АЛДГ состоит в том, что часть остатков глутаминовой кислоты в молекуле «ослабленной» АЛДГ заменена фрагментами лизина (табл. 1).
Трансферазы – ферменты, катализирующие перенос функциональных групп, например, трансиминаза катализирует перемещение аминогруппы.
Гидролазы – ферменты, катализирующие гидролиз. Упомянутые ранее трипсин и пепсин осуществляют гидролиз пептидных связей, а липазы расщепляют сложноэфирную связь в жирах:
–RС(О)ОR 1 +Н 2 О → –RС(О)ОН + НОR 1
Лиазы – ферменты, катализирующие реакции, которые проходят не гидролитическим путем, в результате таких реакций происходит разрыв связей С-С, С-О, С-N и образование новых связей. Фермент декарбоксилаза относится к этому классу
Изомеразы
– ферменты, катализирующие изомеризацию, например, превращение малеиновой кислоты в фумаровую (рис. 19), это пример цис – транс изомеризации ().
Рис. 19. ИЗОМЕРИЗАЦИЯ МАЛЕИНОВОЙ КИСЛОТЫ в фумаровую в присутствии фермента.
В работе ферментов соблюдается общий принцип, в соответствии с которым всегда есть структурное соответствие фермента и реагента ускоряемой реакции. По образному выражению одного из основателей учения о ферментах , реагент подходит к ферменту, как ключ к замку. В связи с этим каждый фермент катализирует определенную химическую реакцию или группу реакций одного типа. Иногда фермент может действовать на одно единственное соединение, например, уреаза (uron греч . – моча) катализирует только гидролиз мочевины:
(H 2 N) 2 C = O + H 2 O = CO 2 + 2NH 3
Наиболее тонкую избирательность проявляют ферменты, различающие оптически активные антиподы – лево- и правовращающие изомеры. L-аргиназа действует только на левовращающий аргинин и не затрагивает правовращающий изомер. L-лактатдегидрогеназа действует только на левовращающие эфиры молочной кислоты, так называемые лактаты (lactis лат . молоко), в то время как D-лактатдегидрогеназа расщепляет исключительно D-лактаты.
Большая часть ферментов действует не на одно, а на группу родственных соединений, например, трипсин «предпочитает» расщеплять пептидные связи образованные лизином и аргинином (табл. 1.)
Каталитические свойства некоторых ферментов, таких как гидролазы, определяются исключительно строением самой белковой молекулы, другой класс ферментов – оксидоредуктазы (например, алкогольдегидрогеназа) могут проявлять активность только в присутствии связанных с ними небелковых молекул – витаминов, активирующих ионов Mg, Са, Zn, Мn и фрагментов нуклеиновых кислот (рис. 20).
Рис. 20 МОЛЕКУЛА АЛКОГОЛЬДЕГИДРОГЕНАЗЫ
Транспортные белки связывают и переносят различные молекулы или ионы через мембраны клеток (как внутрь клетки, так и вовне), а также от одного органа к другому.
Например, гемоглобин связывает кислород при прохождении крови через легкие и доставляет его к различным тканям организма, где кислород высвобождается и затем используется для окисления компонентов пищи, этот процесс служит источником энергии (иногда употребляют термин «сжигание» пищевых продуктов в организме).
Помимо белковой части гемоглобин содержит комплексное соединение железа с циклической молекулой порфирином (porphyros греч . – пурпур), что и обусловливает красный цвет крови. Именно этот комплекс (рис. 21, слева) играет роль переносчика кислорода. В гемоглобине порфириновый комплекс железа располагается внутри белковой молекулы и удерживается с помощью полярных взаимодействий, а также координационной связи с азотом в гистидине (табл. 1), входящем в состав белка. Молекула О2, которую переносит гемоглобин, присоединяется с помощью координационной связи к атому железа со стороны, противоположной той, к которой присоединен гистидин (рис. 21, справа).
Рис. 21 СТРОЕНИЕ КОМПЛЕКСА ЖЕЛЕЗА
Справа показано строение комплекса в форме объемной модели. Комплекс удерживается в белковой молекуле с помощью координационной связи (синий пунктир) между атомом Fe и атомом N в гистидине, входящим в состав белка. Молекула О 2 , которую переносит гемоглобин, присоединена координационно (красный пунктир) к атому Fe с противоположной страны плоского комплекса.
Гемоглобин – один из наиболее подробно изученных белков, он состоит из a-спиралей, соединенных одиночными цепями, и содержит в своем составе четыре комплекса железа. Таким образом, гемоглобин представляет собой как бы объемистую упаковку для переноса сразу четырех молекул кислорода. По форме гемоглобин соответствует глобулярным белкам (рис. 22).
Рис. 22 ГЛОБУЛЯРНАЯ ФОРМА ГЕМОГЛОБИНА
Основное «достоинство» гемоглобина состоит в том, что присоединение кислорода и последующее его отщепление при передаче различным тканям и органам проходит быстро. Монооксид углерода, СО (угарный газ), связывается с Fe в гемоглобине еще быстрее, но, в отличие от О 2 , образует трудно разрушающийся комплекс. В результате такой гемоглобин не способен связывать О 2 , что приводит (при вдыхании больших количеств угарного газа) к гибели организма от удушья.
Вторая функция гемоглобина – перенос выдыхаемого СО 2 , но в процессе временного связывания углекислоты участвует не атом железа, а H 2 N-группы белка.
«Работоспособность» белков зависит от их строения, например, замена единственного аминокислотного остатка глутаминовой кислоты в полипептидной цепи гемоглобина на остаток валина (изредка наблюдаемая врожденная аномалия) приводит к заболеванию, называемому серповидноклеточная анемия .
Существуют также транспортные белки, способные связывать жиры, глюкозу, аминокислоты и переносить их как внутрь, так и вовне клеток.
Транспортные белки особого типа не переносят сами вещества, а выполняют функции «транспортного регулировщика», пропуская определенные вещества сквозь мембрану (внешнюю стенку клетки). Такие белки чаще называют мембранными. Они имеют форму пустотелого цилиндра и, встраиваясь в стенку мембраны, обеспечивают перемещение некоторых полярных молекул или ионов внутрь клетки. Пример мембранного белка – порин (рис. 23).
Рис. 23 БЕЛОК ПОРИН
Пищевые и запасные белки, как следует из названия, служат источниками внутреннего питания, чаще для зародышей растений и животных, а также на ранних стадиях развития молодых организмов. К пищевым белкам относят альбумин (рис. 10) – основной компонент яичного белка, а также казеин – главный белок молока. Под действием фермента пепсина казеин в желудке створаживается, это обеспечивает его задержку в пищеварительном тракте и эффективное усвоение. Казеин содержит фрагменты всех аминокислот, необходимых организму.
В ферритине (рис. 12), который содержится в тканях животных, запасены ионы железа.
К запасным белкам относят также миоглобин, по составу и строению напоминающий гемоглобин. Миоглобин сосредоточен, главным образом, в мышцах, его основная роль – хранение кислорода, который ему отдает гемоглобин. Он быстро насыщается кислородом (намного быстрее, чем гемоглобин), а затем постепенно передает его различным тканям.
Структурные белки выполняют защитную функцию (кожный покров) или опорную – скрепляют организм в единое целое и придают ему прочность (хрящи и сухожилия). Их главным компонентом является фибриллярный белок коллаген (рис. 11), наиболее распространенный белок животного мира, в организме млекопитающих, на его долю приходится почти 30% от всей массы белков. Коллаген обладает высокой прочностью на разрыв (известна прочность кожи), но из-за малого содержания поперечных сшивок в коллагене кожи, шкуры животных мало пригодны в сыром виде для изготовления различных изделий. Чтобы уменьшить набухание кожи в воде, усадку при сушке, а также для увеличения прочности в обводненном состоянии и повышения упругости в коллагене создают дополнительные поперечные сшивки (рис. 15а), это, так называемый процесс дубления кожи.
В живых организмах молекулы коллагена, возникшие в процессе роста и развития организма, не обновляются и не замещаются заново синтезированными. По мере старения организма увеличивается количество поперечных сшивок в коллагене, что приводит к снижению его эластичности, а поскольку обновление не происходит, то проявляются возрастные изменения – увеличение хрупкости хрящей и сухожилий, появление морщин на коже.
В суставных связках содержится эластин – структурный белок, легко растягивающийся в двух измерениях. Наибольшей эластичностью обладает белок резилин, который находится в местах шарнирного прикрепления крыльев у некоторых насекомых.
Роговые образования – волосы, ногти, перья состоя, в основном, из белка кератина (рис. 24). Его основное отличие – заметное содержание остатков цистеина, образующего дисульфидные мостики, что придает высокую упругость (способность восстанавливать исходную форму после деформации) волосам, а также шерстяным тканям.
Рис. 24. ФРАГМЕНТ ФИБРИЛЛЯРНОГО БЕЛКА КЕРАТИНА
Для необратимого изменения формы кератинового объекта нужно вначале разрушить дисульфидные мостики с помощью восстановителя, придать новую форму, а затем вновь создать дисульфидные мостики с помощью окислителя (рис. 16), именно так делается, например, химическая завивка волос.
При увеличении содержания остатков цистеина в кератине и, соответственно, возрастании количества дисульфидных мостиков способность к деформации исчезает, но при этом появляется высокая прочность (в рогах копытных животных и панцирях черепах содержится до 18% цистеиновых фрагментов). В организме млекопитающих содержится до 30 различных типов кератина.
Родственный кератину фибриллярный белок фиброин, выделяемый гусеницами шелкопряда при завивке кокона, а также пауками при плетении паутины, содержит только β-структуры, соединенные одиночными цепями (рис. 11). В отличие от кератина, у фиброина нет поперечных дисульфидных мостиков, он обладает очень прочен на разрыв (прочность в расчете на единицу поперечного сечения у некоторых образцов паутины выше, чем у стальных тросов). Из-за отсутствия поперечных сшивок фиброин неупруг (известно, что шерстяные ткани почти несминаемы, а шелковые легко мнутся).
Регуляторные белки, чаще называемые , участвуют в различных физиологических процессах. Например, гормон инсулин (рис. 25) состоит из двух α-цепей, соединенных дисульфидными мостиками. Инсулин регулирует обменные процессы с участием глюкозы, его отсутствие ведет к диабету.
Рис. 25 БЕЛОК ИНСУЛИН
В гипофизе мозга синтезируется гормон, регулирующий рост организма. Существуют регуляторные белки, контролирующие биосинтез различных ферментов в организме.
Сократительные и двигательные белки придают организму способность сокращаться, изменять форму и перемещаться, прежде всего, речь идет о мышцах. 40% от массы всех белков, содержащихся в мышцах, составляет миозин (mys, myos, греч . – мышца). Его молекула содержит одновременно фибриллярную и глобулярную часть (рис. 26)
Рис. 26 МОЛЕКУЛА МИОЗИНА
Такие молекулы объединяются в крупные агрегаты, содержащие 300–400 молекул.
При изменении концентрации ионов кальция в пространстве, окружающем мышечные волокна, происходит обратимое изменение конформации молекул – изменение формы цепи за счет поворота отдельных фрагментов вокруг валентных связей. Это приводит к сокращению и расслаблению мышц, сигнал для изменения концентрации ионов кальция поступает от нервных окончаний в мышечных волокнах. Искусственное сокращение мышц можно вызвать действием электрических импульсов, приводящих к резкому изменению концентрации ионов кальция, на этом основана стимуляция сердечной мышцы для восстановления работы сердца.
Защитные белки позволяют уберечь организм от вторжения атакующих его бактерий, вирусов и от проникновения чужеродных белков (обобщенное название чужеродных тел – антигены). Роль защитных белков выполняют иммуноглобулины (другое их название – антитела), они распознают антигены, проникшие в организм, и прочно связываются с ними. В организме млекопитающих, включая человека, есть пять классов иммуноглобулинов: M, G, A, D и E, их структура, как следует из названия, глобулярная, кроме того, все они построены сходным образом. Молекулярная организация антител показана далее на примере иммуноглобулина класса G (рис. 27). Молекула содержит четыре полипептидные цепи, объединенные тремя дисульфидными мостиками S-S (на рис. 27 они показаны с утолщенными валентными связями и крупными символами S), кроме того, каждая полимерная цепь содержит внутрицепные дисульфидные перемычки. Две большие полимерные цепи (выделены синим цветом) содержат 400–600 аминокислотных остатков. Две другие цепи (выделены зеленым цветом) почти вдвое короче, они содержат приблизительно 220 аминокислотных остатков. Все четыре цепи расположены таким образом, что концевые H 2 N-группы направлены в одну сторону.
Рис. 27 СХЕМАТИЧЕСКОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ СТРУКТУРЫ ИММУНОГЛОБУЛИНА
После контакта организма с чужеродным белком (антигеном), клетки иммунной системы начинают вырабатывать иммуноглобулины (антитела), которые накапливаются в сыворотке крови. На первом этапе основную работу совершают участки цепей, содержащие концевые H 2 N (на рис. 27 соответствующие участки отмечены светло-синим и светло-зеленым цветом). Это области захвата антигенов. В процессе синтеза иммуноглобулина эти участки формируется таким образом, чтобы их строение и конфигурация максимально соответствовали структуре приблизившегося антигена (как ключ к замку, подобно ферментам, но задачи в данном случае иные). Таким образом, для каждого антигена в качестве иммунного ответа создается строго индивидуальное антитело. Столь «пластично» изменять строение в зависимости от внешних факторов, помимо иммуноглобулинов, не может ни один известный белок. Ферменты решают задачу структурного соответствия реагенту иным путем – с помощью гигантского набора разнообразных ферментов в расчете на все возможные случаи, а иммуноглобулины каждый раз заново перестраивают «рабочий инструмент». Сверх того, шарнирный участок иммуноглобулина (рис. 27) обеспечивает двум областям захвата некоторую независимую подвижность, в результате молекула иммуноглобулина может «найти» сразу два наиболее удобных для захвата участка в антигене с тем, чтобы его надежно зафиксировать, это напоминает действия ракообразного существа.
Далее включается цепь последовательных реакций иммунной системы организма, подключаются иммуноглобулины других классов, в результате происходит дезактивация чужеродного белка, а затем уничтожение и удаление антигена (постороннего микроорганизма или токсина).
После контакта с антигеном максимальная концентрация иммуноглобулина достигается (в зависимости от природы антигена и индивидуальных особенностей самого организма) в течение нескольких часов (иногда нескольких дней). Организм сохраняет память о таком контакте, и при повторной атаке таким же антигеном иммуноглобулины накапливаются в сыворотке крови значительно быстрее и в большем количестве – возникает приобретенный иммунитет.
Приведенная классификация белков носит в определенной степени условный характер, например белок тромбин, упомянутый среди защитных белков, по существу представляет собой фермент, катализирующий гидролиз пептидных связей, то есть, относится к классу протеаз.
К защитным белкам часто относят белки змеиного яда и токсичные белки некоторых растений, поскольку их задача – уберечь организм от повреждений.
Есть белки, функции которых настолько уникальны, что это затрудняет их классификацию. Например, белок монеллин, содержащийся в одном из африканских растений, – очень сладкий на вкус, он стал предметом изучения как нетоксичное вещество, которое может быть использовано вместо сахара для предотвращения ожирения. Плазма крови некоторых антарктических рыб содержит белки со свойствами антифриза, который предохраняет кровь этих рыб от замерзания.
Конденсация аминокислот, приводящая к полипептидной цепи, представляет собой хорошо изученный процесс. Можно провести, например, конденсацию какой – либо одной аминокислоты или смеси кислот и получить, соответственно, полимер, содержащий одинаковые звенья, либо различные звенья, чередующиеся в случайном порядке. Такие полимеры мало похожи на природные полипептиды и не обладают биологической активностью. Основная задача состоит в том, чтобы соединять аминокислоты в строго определенном, заранее намеченном порядке, чтобы воспроизвести последовательность аминокислотных остатков в природных белках. Американский ученый Роберт Меррифилд предложил оригинальный метод, позволивший решить такую задачу. Сущность метода состоит в том, что первую аминокислоту присоединяют к нерастворимому полимерному гелю, который содержит реакционно-способные группы, способные соединяться с –СООН – группами аминокислоты. В качестве такой полимерной подложки был взят сшитый полистирол с введенными в него хлорметильными группами. Чтобы взятая для реакции аминокислота не прореагировала сама с собой и чтобы она не присоединилась H 2 N-группой к подложке, аминогруппу этой кислоты предварительно блокируют объемистым заместителем [(С 4 Н 9) 3 ] 3 ОС(О)-группой. После того, как аминокислота присоединилась к полимерной подложке, блокирующую группу удаляют и в реакционную смесь вводят другую аминокислоту, у которой также предварительно заблокирована H 2 N-группа. В такой системе возможно только взаимодействие H 2 N-группы первой аминокислоты и группы –СООН второй кислоты, которое проводят в присутствии катализаторов (солей фосфония). Далее всю схему повторяют, вводя третью аминокислоту (рис. 28).
Рис. 28. СХЕМА СИНТЕЗА ПОЛИПЕПТИДНЫХ ЦЕПЕЙ
На последней стадии полученные полипептидные цепи отделяют от полистирольной подложки. Сейчас весь процесс автоматизирован, существуют автоматические синтезаторы пептидов, действующие по описанной схеме. Таким методом синтезировано множество пептидов, используемых в медицине и сельском хозяйстве. Удалось также получить улучшенные аналоги природных пептидов с избирательным и усиленным действием. Синтезированы некоторые небольшие белки, например гормон инсулина и некоторые ферменты.
Существуют также методы синтеза белков, копирующие природные процессы: синтезируют фрагменты нуклеиновых кислот, настроенных на получение определенных белков, затем эти фрагменты встраивают в живой организм (например, в бактерию), после чего организм начинает вырабатывать нужный белок. Таким способом сейчас получают значительные количества труднодоступных белков и пептидов, а также их аналогов.
Белки в живом организме постоянно расщепляются на исходные аминокислоты (с непременным участием ферментов), одни аминокислоты переходят в другие, затем белки вновь синтезируются (также с участием ферментов), т.е. организм постоянно обновляется. Некоторые белки (коллаген кожи, волос) не обновляются, организм непрерывно их теряет и взамен синтезирует новые. Белки как источники питания выполняют две основные функции: они поставляют в организм строительный материал для синтеза новых белковых молекул и, кроме того, снабжают организм энергией (источники калорий).
Плотоядные млекопитающие (в том числе и человек) получают необходимые белки с растительной и животной пищей. Ни один из полученных с пищей белков не встраивается в организм в неизменном виде. В пищеварительном тракте все поглощенные белки расщепляются до аминокислот, и уже из них строятся белки, необходимые конкретному организму, при этом из 8 незаменимых кислот (табл. 1) в организме могут синтезироваться остальные 12, если они не поступают в достаточном количестве с пищей, но незаменимые кислоты должны поступать с пищей непременно. Атомы серы в цистеине организм получает с незаменимой аминокислотой – метионином. Часть белков распадается, выделяя энергию, необходимую для поддержания жизнедеятельности, а содержавшийся в них азот выводится из организма с мочой. Обычно организм человека теряет 25–30 г. белка в сутки, поэтому белковая пища должны постоянно присутствовать в нужном количестве. Минимальная суточная потребность в белке составляет у мужчин 37 г, у женщин 29 г, однако рекомендованные нормы потребления почти вдвое выше. При оценке пищевых продуктов важно учитывать качество белка. При отсутствии или низком содержании незаменимых аминокислот белок считается малоценным, поэтому такие белки должны потребляться в большем количестве. Так, белки бобовых культур содержат мало метионина, а в белках пшеницы и кукурузы низкое содержанием лизина (обе аминокислоты незаменимые). Животные белки (исключая коллагены) относят к полноценным пищевым продуктам. Полный набор всех незаменимых кислот содержит казеин молока, а также приготовляемые из него творог и сыр, поэтому вегетарианская диета, в том случае, если она очень строгая, т.е. «безмолочная», требует усиленного потребления бобовых культур, орехов и грибов для снабжения организма незаменимыми аминокислотами в нужном количестве.
Синтетические аминокислоты и белки используют и как пищевые продукты, добавляя их в корма, которые содержат незаменимые аминокислоты в малом количестве. Существуют бактерии, которые могут перерабатывать и усваивать углеводороды нефти, в этом случае для полноценного синтеза белков их нужно подкармливать азотсодержащими соединениями (аммиак или нитраты). Получаемый таким способом белок используют в качестве корма для скота и домашней птицы. В комбикорм домашних животных часто добавляют набор ферментов – карбогидраз, которые катализируют гидролиз трудно разлагаемых компонентов углеводной пищи (клеточные стенки зерновых культур), в результате чего растительная пища усваивается более полно.
Михаил Левицкий
(протеины), класс сложных азотсодержащих соединений, наиболее характерных и важных (наряду с нуклеиновыми кислотами) компонентов живого вещества. Белки выполняют многочисленные и разнообразные функции. Большинство белков – ферменты, катализирующие химические реакции. Многие гормоны, регулирующие физиологические процессы, тоже являются белками. Такие структурные белки, как коллаген и кератин, служат главными компонентами костной ткани, волос и ногтей. Сократительные белки мышц обладают способностью изменять свою длину, используя химическую энергию для выполнения механической работы. К белкам относятся антитела, которые связывают и нейтрализуют токсичные вещества. Некоторые белки, способные реагировать на внешние воздействия (свет, запах), служат в органах чувств рецепторами, воспринимающими раздражение. Многие белки, расположенные внутри клетки и на клеточной мембране, выполняют регуляторные функции.
В первой половине 19 в. многие химики, и среди них в первую очередь Ю.фон Либих, постепенно пришли к выводу, что белки представляют собой особый класс азотистых соединений. Название «протеины» (от греч. protos – первый) предложил в 1840 голландский химик Г.Мульдер.
Белки в твердом состоянии белого цвета, а в растворе бесцветны, если только они не несут какой-нибудь хромофорной (окрашенной) группы, как, например, гемоглобин. Растворимость в воде у разных белков сильно варьирует. Она изменяется также в зависимости от рН и от концентрации солей в растворе, так что можно подобрать условия, при которых один какой-нибудь белок будет избирательно осаждаться в присутствии других белков. Этот метод «высаливания» широко используется для выделения и очистки белков. Очищенный белок часто выпадает в осадок из раствора в виде кристаллов.
В сравнении с другими соединениями молекулярная масса белков очень велика – от нескольких тысяч до многих миллионов дальтон. Поэтому при ультрацентрифугировании белки осаждаются, и притом с разной скоростью. Благодаря присутствию в молекулах белков положительно и отрицательно заряженных групп они движутся с разной скоростью и в электрическом поле. На этом основан электрофорез – метод, применяемый для выделения индивидуальных белков из сложных смесей. Очистку белков проводят и методом хроматографии.
Белки – это полимеры, т.е. молекулы, построенные, как цепи, из повторяющихся мономерных звеньев, или субъединиц, роль которых играют у них aльфа-аминокислоты. Общая формула аминокислот
где R – атом водорода или какая-нибудь органическая группа.
Белковая молекула (полипептидная цепь) может состоять всего лишь из относительно небольшого числа аминокислот или из нескольких тысяч мономерных звеньев. Соединение аминокислот в цепи возможно потому, что у каждой из них имеются две разные химические группы: обладающая основными свойствами аминогруппа, NH2, и кислотная карбоксильная группа, СООН. Обе эти группы присоединены к a-атому углерода. Карбоксильная группа одной аминокислоты может образовать амидную (пептидную) связь с аминогруппой другой аминокислоты:
После того как две аминокислоты таким образом соединились, цепь может наращиваться путем добавления ко второй аминокислоте третьей и т.д. Как видно из приведенного выше уравнения, при образовании пептидной связи выделяется молекула воды. В присутствии кислот, щелочей или протеолитических ферментов реакция идет в обратном направлении: полипептидная цепь расщепляется на аминокислоты с присоединением воды. Такая реакция называется гидролизом. Гидролиз протекает спонтанно, а для соединения аминокислот в полипептидную цепь требуется энергия.
Карбоксильная группа и амидная группа (или сходная с ней имидная – в случае аминокислоты пролина) имеются у всех аминокислот, различия же между аминокислотами определяются природой той группы, или «боковой цепи», которая обозначена выше буквой R. Роль боковой цепи может играть и один атом водорода, как у аминокислоты глицина, и какая-нибудь объемистая группировка, как у гистидина и триптофана. Некоторые боковые цепи в химическом смысле инертны, тогда как другие обладают заметной реакционной способностью.
Синтезировать можно многие тысячи различных аминокислот, и множество различных аминокислот встречается в природе, но для синтеза белков используется только 20 видов аминокислот: аланин, аргинин, аспарагин, аспарагиновая кислота, валин, гистидин, глицин, глутамин, глутаминовая кислота, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, пролин, серин, тирозин, треонин, триптофан, фенилаланин и цистеин (в белках цистеин может присутствовать в виде димера – цистина). Правда, в некоторых белках присутствуют и другие аминокислоты, помимо регулярно встречающихся двадцати, но они образуются в результате модификации какой-нибудь из двадцати перечисленных уже после того, как она включилась в белок.
У всех аминокислот, за исключением глицина, кα-атому углерода присоединены четыре разные группы. С точки зрения геометрии, четыре разные группы могут быть присоединены двумя способами, и соответственно есть две возможные конфигурации, или два изомера, относящиеся друг к другу, как предмет к своему зеркальному отражению, т.е. как левая рука к правой. Одну конфигурацию называют левой, или левовращающей (L), а другую – правой, или правовращающей (D), поскольку два таких изомера различаются направлением вращения плоскости поляризованного света. В белках встречаются только L-аминокислоты (исключение составляет глицин; он может быть представлен лишь одной формой, поскольку у него две из четырех групп одинаковы), и все они обладают оптической активностью (поскольку имеется только один изомер). D-аминокислоты в природе редки; они встречаются в некоторых антибиотиках и клеточной оболочке бактерий.
Аминокислоты в полипептидной цепи располагаются не случайным образом, а в определенном фиксированном порядке, и именно этот порядок определяет функции и свойства белка. Варьируя порядок расположения 20 видов аминокислот, можно получить огромное число разных белков, точно так же, как из букв алфавита можно составить множество разных текстов.
В прошлом на определение аминокислотной последовательности какого-нибудь белка уходило нередко несколько лет. Прямое определение и теперь достаточно трудоемкое дело, хотя созданы приборы, позволяющие вести его автоматически. Обычно проще бывает определить нуклеотидную последовательность соответствующего гена и вывести из нее аминокислотную последовательность белка. К настоящему времени уже определены аминокислотные последовательности многих сотен белков. Функции расшифрованных белков, как правило, известны, и это помогает представить себе возможные функции сходных белков, образующихся, например, при злокачественных новообразованиях.
Белки, состоящие из одних только аминокислот, называют простыми. Часто, однако, к полипептидной цепи бывают присоединены атом металла или какое-нибудь химическое соединение, не являющееся аминокислотой. Такие белки называются сложными. Примером может служить гемоглобин: он содержит железопорфирин, который определяет его красный цвет и позволяет ему играть роль переносчика кислорода.
В названиях большинства сложных белков содержится указание на природу присоединенных групп: в гликопротеинах присутствуют сахара, в липопротеинах – жиры. Если от присоединенной группы зависит каталитическая активность фермента, то ее называют простетической группой. Нередко какой-нибудь витамин играет роль простетической группы или входит в ее состав. Витамин А, например, присоединенный к одному из белков сетчатки, определяет ее чувствительность к свету.
Важна не столько сама аминокислотная последовательность белка (первичная структура), сколько способ ее укладки в пространстве. По всей длине полипептидной цепи ионы водорода образуют регулярные водородные связи, которые придают ей форму спирали либо слоя (вторичная структура). Из комбинации таких спиралей и слоев возникает компактная форма следующего порядка – третичная структура белка. Вокруг связей, удерживающих мономерные звенья цепи, возможны повороты на небольшие углы. Поэтому с чисто геометрической точки зрения число возможных конфигураций для любой полипептидной цепи бесконечно велико. В действительности же каждый белок существует в норме только в одной конфигурации, определяемой его аминокислотной последовательностью. Структура эта не жесткая, она как бы «дышит» – колеблется вокруг некой средней конфигурации. Цепь складывается в такую конфигурацию, при которой свободная энергия (способность производить работу) минимальна, подобно тому как отпущенная пружина сжимается лишь до состояния, соответствующего минимуму свободной энергии. Нередко одна часть цепи бывает жестко сцеплена с другой дисульфидными (–S–S–) связями между двумя остатками цистеина. Отчасти именно поэтому цистеин среди аминокислот играет особо важную роль.
Сложность строения белков столь велика, что пока еще невозможно вычислить третичную структуру белка, если даже известна его аминокислотная последовательность. Но если удается получить кристаллы белка, то его третичную структуру можно определить по дифракции рентгеновских лучей.
У структурных, сократительных и некоторых других белков цепи вытянуты и несколько лежащих рядом слегка свернутых цепей образуют фибриллы; фибриллы, в свою очередь, складываются в более крупные образования – волокна. Однако большинство белков в растворе имеет глобулярную форму: цепи свернуты в глобуле, как пряжа в клубке. Свободная энергия при такой конфигурации минимальна, поскольку гидрофобные («отталкивающие воду») аминокислоты скрыты внутри глобулы, а гидрофильные («притягивающие воду») находятся на ее поверхности.
Многие белки – это комплексы из нескольких полипептидных цепей. Такое строение называется четвертичной структурой белка. Молекула гемоглобина, например, состоит из четырех субъединиц, каждая из которых представляет собой глобулярный белок.
Структурные белки благодаря своей линейной конфигурации образуют волокна, у которых предел прочности на разрыв очень высок, глобулярная же конфигурация позволяет белкам вступать в специфические взаимодействия с другими соединениями. На поверхности глобулы при правильной укладке цепей возникают определенной формы полости, в которых размещены реакционноспособные химические группы. Если данный белок – фермент, то другая, обычно меньшая, молекула какого-то вещества входит в такую полость подобно тому, как ключ входит в замок; при этом меняется конфигурация электронного облака молекулы под влиянием находящихся в полости химических групп, и это вынуждает ее определенным образом реагировать. Таким способом фермент катализирует реакцию. В молекулах антител тоже имеются полости, в которых различные чужеродные вещества связываются и тем самым обезвреживаются. Модель «ключа и замка», объясняющая взаимодействие белков с другими соединениями, позволяет понять специфичность ферментов и антител, т.е. их способность реагировать только с определенными соединениями.
Белки, выполняющие одну и ту же функцию у разных видов растений и животных и потому носящие одно и то же название, имеют и сходную конфигурацию. Они, однако, несколько различаются по своей аминокислотной последовательности. По мере того как виды дивергируют от общего предка, некоторые аминокислоты в определенных положениях замещаются в результате мутаций другими. Вредные мутации, являющиеся причиной наследственных болезней, выбраковываются естественным отбором, но полезные или по крайней мере нейтральные могут сохраняться. Чем ближе друг к другу два каких-нибудь биологических вида, тем меньше различий обнаруживается в их белках.
Некоторые белки меняются относительно быстро, другие весьма консервативны. К последним принадлежит, например, цитохром с – дыхательный фермент, имеющийся у большинства живых организмов. У человека и шимпанзе его аминокислотные последовательности идентичны, а в цитохроме с пшеницы иными оказались лишь 38% аминокислот. Даже сравнивая человека и бактерии, сходство цитохромов с (различия затрагивают здесь 65% аминокислот) все еще можно заметить, хотя общий предок бактерии и человека жил на Земле около двух миллиардов лет назад. В наше время сравнение аминокислотных последовательностей часто используют для построения филогенетического (генеалогического) древа, отражающего эволюционные связи между разными организмами.
Синтезированная молекула белка, складываясь, приобретает свойственную ей конфигурацию. Эта конфигурация, однако, может разрушиться при нагревании, при изменении рН, под действием органических растворителей и даже при простом взбалтывании раствора до появления на его поверхности пузырьков. Измененный таким образом белок называют денатурированным; он утрачивает свою биологическую активность и обычно становится нерастворимым. Хорошо знакомые всем примеры денатурированного белка – вареные яйца или взбитые сливки. Небольшие белки, содержащие всего лишь около сотни аминокислот, способны ренатурировать, т.е. вновь приобретать исходную конфигурацию. Но большинство белков превращается при этом просто в массу спутанных полипептидных цепей и прежнюю конфигурацию не восстанавливает.
Одна из главных трудностей при выделении активных белков связана с их крайней чувствительностью к денатурации. Полезное применение это свойство белков находит при консервировании пищевых продуктов: высокая температура необратимо денатурирует ферменты микроорганизмов, и микроорганизмы погибают.
Для синтеза белка живой организм должен располагать системой ферментов, способных присоединять одну аминокислоту к другой. Необходим также источник информации, которая бы определяла, какие именно аминокислоты следует соединять. Поскольку в организме имеются тысячи видов белков и каждый из них состоит в среднем из нескольких сотен аминокислот, необходимая информация должна быть поистине огромной. Хранится она (подобно тому, как хранится запись на магнитной ленте) в молекулах нуклеиновых кислот, из которых состоят гены.
Синтезированная из аминокислот полипептидная цепь – это далеко не всегда белок в его окончательной форме. Многие ферменты синтезируются сначала в виде неактивных предшественников и переходят в активную форму лишь после того, как другой фермент удалит на одном из концов цепи несколько аминокислот. В такой неактивной форме синтезируются некоторые из пищеварительных ферментов, например трипсин; эти ферменты активируются в пищеварительном тракте в результате удаления концевого фрагмента цепи. Гормон инсулин, молекула которого в активной форме состоит из двух коротких цепей, синтезируется в виде одной цепи, т.н. проинсулина. Затем средняя часть этой цепи удаляется, а оставшиеся фрагменты связываются друг с другом, образуя активную молекулу гормона. Сложные белки образуются лишь после того, как к белку будет присоединена определенная химическая группа, а для этого присоединения часто тоже требуется фермент.
После скармливания животному аминокислот, меченных радиоактивными изотопами углерода, азота или водорода, метка быстро включается в его белки. Если меченые аминокислоты перестают поступать в организм, то количество метки в белках начинает снижаться. Эти эксперименты показывают, что образовавшиеся белки не сохраняются в организме до конца жизни. Все они, за немногими исключениями, находятся в динамичном состоянии, постоянно распадаются до аминокислот, а затем вновь синтезируются.
Некоторые белки распадаются, когда гибнут и разрушаются клетки. Это постоянно происходит, например, с эритроцитами и клетками эпителия, выстилающего внутреннюю поверхность кишечника. Кроме того, распад и ресинтез белков протекают и в живых клетках. Как ни странно, о распаде белков известно меньше, чем об их синтезе. Ясно, однако, что в распаде участвуют протеолитические ферменты, сходные с теми, которые расщепляют белки до аминокислот в пищеварительном тракте.
Период полураспада у разных белков различен – от нескольких часов до многих месяцев. Единственное исключение – молекулы коллагена. Однажды образовавшись, они остаются стабильными, не обновляются и не замещаются. Со временем, однако, меняются некоторые их свойства, в частности эластичность, а поскольку они не обновляются, следствием этого оказываются определенные возрастные изменения, например появление морщин на коже.
Химики давно уже научились полимеризовать аминокислоты, но аминокислоты соединяются при этом неупорядоченно, так что продукты такой полимеризации мало похожи на природные. Правда, имеется возможность соединять аминокислоты в заданном порядке, что позволяет получать некоторые биологически активные белки, в частности инсулин. Процесс достаточно сложен, и таким способом удается получать лишь те белки, в молекулах которых содержится около сотни аминокислот. Предпочтительнее вместо этого синтезировать или выделить нуклеотидную последовательность гена, соответствующую желаемой аминокислотной последовательности, а затем ввести этот ген в бактерию, которая и будет вырабатывать путем репликации большое количество нужного продукта. У этого метода, впрочем, тоже есть свои недостатки.
Когда белки в организме распадаются до аминокислот, эти аминокислоты могут быть снова использованы для синтеза белков. В то же время и сами аминокислоты подвержены распаду, так что они реутилизируются не полностью. Ясно также, что в период роста, при беременности и заживлении ран синтез белков должен превышать распад. Некоторые же белки организм непрерывно теряет; это белки волос, ногтей и поверхностного слоя кожи. Поэтому для синтеза белков каждый организм должен получать аминокислоты с пищей.
Зеленые растения синтезируют из СО2, воды и аммиака или нитратов все 20 аминокислот, встречающихся в белках. Многие бактерии тоже способны синтезировать аминокислоты при наличии сахара (или какого-нибудь его эквивалента) и фиксированного азота, но и сахар, в конечном счете, поставляется зелеными растениями. У животных способность к синтезу аминокислот ограниченна; они получают аминокислоты, поедая зеленые растения или других животных. В пищеварительном тракте поглощенные белки расщепляются до аминокислот, последние всасываются, и уже из них строятся белки, характерные для данного организма. Ни один поглощенный белок не включается в структуры тела как таковой. Единственное исключение заключается в том, что у многих млекопитающих часть материнских антител может в интактном виде попасть через плаценту в кровоток плода, а через материнское молоко (особенно у жвачных) быть передано новорожденному сразу же после его появления на свет.
Ясно, что для поддержания жизни организм должен получать с пищей некоторое количество белков. Однако размеры этой потребности зависят от ряда факторов. Организму необходима пища и как источник энергии (калорий), и как материал для построения его структур. На первом месте стоит потребность в энергии. Это значит, что, когда углеводов и жиров в рационе мало, пищевые белки используются не для синтеза собственных белков, а в качестве источника калорий. При длительном голодании даже собственные белки расходуются на удовлетворение энергетических нужд. Если же углеводов в рационе достаточно, то потребление белков может быть снижено.
В среднем ок. 16% всей массы белка составляет азот. Когда входившие в состав белков аминокислоты расщепляются, содержавшийся в них азот выводится из организма с мочой и (в меньшей мере) с калом в виде различных азотистых соединений. Удобно поэтому для оценки качества белкового питания использовать такой показатель, как азотистый баланс, т.е. разность (в граммах) между количеством азота, поступившего в организм, и количеством выведенного азота за сутки. При нормальном питании у взрослого эти количества равны. У растущего организма количество выведенного азота меньше количества поступившего, т.е. баланс положителен. При нехватке белков в рационе баланс отрицателен. Если калорий в рационе достаточно, но белки в нем полностью отсутствуют, организм сберегает белки. Белковый обмен при этом замедляется, и повторная утилизация аминокислот в синтезе белка идет с максимально возможной эффективностью. Однако потери неизбежны, и азотистые соединения все же выводятся с мочой и частично с калом. Количество азота, выведенного из организма за сутки при белковом голодании, может служить мерой суточной нехватки белка. Естественно предположить, что, введя в рацион количество белка, эквивалентное этому дефициту, можно восстановить азотистый баланс. Однако это не так. Получив такое количество белка, организм начинает использовать аминокислоты менее эффективно, так что для восстановления азотистого баланса требуется некоторое дополнительное количество белка.
Если количество белка в рационе превышает необходимое для поддержания азотистого баланса, то вреда от этого, по-видимому, нет. Избыток аминокислот просто используется как источник энергии. В качестве особенно яркого примера можно сослаться на эскимосов, которые потребляют мало углеводов и примерно в десять раз больше белка, чем требуется для поддержания азотистого баланса. В большинстве случаев, однако, использование белка в качестве источника энергии невыгодно, поскольку из определенного количества углеводов можно получить намного больше калорий, чем из такого же количества белка. В бедных странах население получает необходимые калории за счет углеводов и потребляет минимальное количество белка.
Если необходимое число калорий организм получает в форме небелковых продуктов, то минимальное количество белка, обеспечивающее поддержание азотистого баланса, составляет для взрослого человека ок. 30 г в день. Примерно столько белка содержится в четырех ломтиках хлеба или 0,5 л молока. Оптимальным считают обычно несколько большее количество; рекомендуется от 50 до 70 г.
До сих пор белок рассматривался как нечто целое. Между тем для того, чтобы мог идти синтез белка, в организме должны присутствовать все необходимые аминокислоты. Некоторые из аминокислот организм животного сам способен синтезировать. Их называют заменимыми, поскольку они не обязательно должны присутствовать в рационе, – важно лишь, чтобы в целом поступление белка как источника азота было достаточным; тогда при нехватке заменимых аминокислот организм может синтезировать их за счет тех, что присутствуют в избытке. Остальные, «незаменимые», аминокислоты не могут быть синтезированы и должны поступать в организм с пищей. Для человека незаменимыми являются валин, лейцин, изолейцин, треонин, метионин, фенилаланин, триптофан, гистидин, лизин и аргинин. (Хотя аргинин и может синтезироваться в организме, его относят к незаменимым аминокислотам, поскольку у новорожденных и растущих детей он образуется в недостаточном количестве. С другой стороны, для человека зрелого возраста поступление некоторых из этих аминокислот с пищей может стать необязательным.)
Этот список незаменимых аминокислот приблизительно одинаков также и у других позвоночных и даже у насекомых. Питательную ценность белков обычно определяют, скармливая их растущим крысам и следя за прибавкой веса животных.
Питательную ценность белка определяют по той незаменимой аминокислоте, которой более всего не хватает. Проиллюстрируем это на примере. В белках нашего тела содержится в среднем ок. 2% триптофана (по весу). Допустим, что в рацион входит 10 г белка, содержащего 1% триптофана, и что других незаменимых аминокислот в нем достаточно. В нашем случае 10 г этого неполноценного белка по сути эквивалентны 5 г полноценного; остальные 5 г могут послужить только источником энергии. Отметим, что, поскольку аминокислоты в организме практически не запасаются, а для того чтобы мог идти синтез белка, должны одновременно присутствовать все аминокислоты, эффект от поступления незаменимых аминокислот можно обнаружить лишь в том случае, если все они поступят в организм одновременно.
Усредненный состав большей части животных белков близок к усредненному составу белков человеческого тела, так что аминокислотная недостаточность нам вряд ли грозит, если наш рацион богат такими продуктами, как мясо, яйца, молоко и сыр. Однако есть белки, например желатин (продукт денатурации коллагена), которые содержат очень мало незаменимых аминокислот. Растительные белки, хотя они в этом смысле и лучше желатина, тоже бедны незаменимыми аминокислотами; особенно мало в них лизина и триптофана. Тем не менее и чисто вегетарианскую диету вовсе нельзя считать вредной, если только при этом потребляется несколько большее количество растительных белков, достаточное для того, чтобы обеспечить организм незаменимыми аминокислотами. Больше всего белка содержится у растений в семенах, особенно в семенах пшеницы и различных бобовых культур. Богаты белком также и молодые побеги, например у спаржи.
Добавляя небольшие количества синтетических незаменимых аминокислот или богатых ими белков к неполноценным белкам, например к белкам кукурузы, можно значительно повысить питательную ценность последних, т.е. тем самым как бы увеличить количество потребляемого белка. Другая возможность состоит в выращивании бактерий или дрожжей на углеводородах нефти с добавлением нитратов или аммиака в качестве источника азота. Полученный таким путем микробный белок может служить кормом для домашней птицы или скота, а может и непосредственно потребляться человеком. Третий, широко применяющийся, метод использует особенности физиологии жвачных животных. У жвачных в начальном отделе желудка, т.н. рубце, обитают особые формы бактерий и простейших, которые превращают неполноценные растительные белки в более полноценные микробные белки, а эти, в свою очередь, – после переваривания и всасывания – превращаются в животные белки. К корму скота можно добавить мочевину – дешевое синтетическое азотсодержащее соединение. Обитающие в рубце микроорганизмы используют азот мочевины для превращения углеводов (которых в корме значительно больше) в белок. Около трети всего азота в корме скота может поступать в виде мочевины, что по сути и означает в определенной мере химический синтез белка.
