2.1 Элементный состав белков

Определение химического состава белков включает исследование их элементного и аминокислотного составов. Для этого выполняют количественный и качественный анализ различных элементов и аминокислот. Оба этих вида анализа основаны на использовании специфических качественных химических реакциях, физико-химических, биохимических или других видах свойств элементов и аминокислот (См. 2.2.9).

Химический анализ белков показывает наличие в них углерода (50-55%), кислорода (21-23%), азота (15-17%), водорода (6-7%) и серы (0,3-2,5%). В составе отдельных белков обнаружены также фосфор, йод, железо, медь и другие макро- и микроэлементы, часто в очень незначительных количествах.

Содержание основных химических элементов в белках может отличаться, за исключением азота, концентрация которого характеризуется наибольшим постоянством. В среднем она составляет 16%, кроме того, содержание азота в других соединениях мало, поэтому общее количество белка, входящее в состав органического материала, предложено определять по количеству азота. Зная, что 1 г азота в среднем содержится в 6,25 г белка, то количество азота умножают на коэффициент 6,25 и получают количество белка, содержащееся в органическом объекте.

Для определения химической природы мономеров (аминокислот) вначале белок разделяют на мономеры, затем определяют их качественный и количественный составы. Расщепление белка до аминокислот осуществляют с помощью метода гидролиза с сильными минеральными кислотами (кислотный гидролиз) или основаниями (щелочной гидролиз). Наиболее часто используют обработку белка 6 н. HCl при 110 С в течение 24 ч в вакууме. После гидролиза аминокислоты гидролизата обычно разделяют методом хроматографии.

2.2 Аминокислоты – структурные компоненты белков

Определение. Аминокислоты – полифункциональные соединения, содержащие, по меньшей мере, две химические группировки: амино (-NH₂) и карбоксильные (–СООН) группы, способные реагировать друг с другом с образованием ковалентной пептидной (амидной) связи.

В природе встречается свыше 150 различных аминокислот, но только 22 из них входят в состав белков и играют при этом жизненно важную роль. В аминокислотах –NH₂и –СООН группы присоединены к одному и тому же атому углерода, который называют-углеродным атомом:

R

|

H – C ^ – NH₂

|

COOH

Аминокислоты отличаются друг от друга структурой радикалов, откоторой зависят физические, химические свойства и физиологические функции белков в организме. Формулы наиболее распространенных в природе аминокислот приведены в Приложении 2.

2.2.1 Классификация аминокислот

1. По характеру углеводородного радикала аминокислоты делятся на: алифатические, ароматические, гетероциклические, серосодержащие и др.:

изолейцин (Ile) β-фенил-α-аланин (Phe)

α-амино-γ-метилвалериановая кислота (рац.) α-амино-β-фенилпропионовая кислота (рац.)

2-амино-4-метилпентановая кислота (IUPAC) 2-амино-3-фенилпропановая кислота

(алифатическая) (IUPAC) (ароматическая)

триптофан цистеин

2-амино-3-(3'-индолил) пропановая 2-амино-3-меркаптопропановая кислота (IUPAC) кислота (IUPAC)

(гетероциклическая) (серосодержащая)

2. По количеству карбоксильных групп аминокислоты на: одноосновные, двухосновные и т.д. кислоты:

аланин аспарагиновая кислота

α-аминопропионовая кислота (рац.) α-аминоянтарная кислота (рац) аминопропановая кислота (IUPAC) 2-аминобутандиовая кислота (IUPAC)

(одноосновная) (двухосновная)

2. По количеству аминогрупп на: моноаминокарбоновые, диаминокарбоновые кислоты и т.д.:

валин лизин

α-аминоизовалериановая кислота (рац.) α,ε-диаминокапроновая кислота (рац.)

2-амино-3-метилбутановая кислота 2,6-диаминогексановая кислота

(IUPAC) (IUPAC)

2. По взаимному расположению функциональных групп: α-, β-, γ-… γ β α δ γ β α

α-аминовалериановая кислота (рац.) β-аминовалериановая кислота (рац.)

2-аминопентановая кислота (IUPAC) 3-аминопентановая кислота (IUPAC)

δ γ β α δ γ β α

γ-аминовалериановая кислота (рац.) δ-аминовалериановая кислота (рац.)

4-аминопентановая кислота (IUPAC) 5-аминопентановая кислота (IUPAC)

2. По характеру углеводородного радикала:

- с неполярными боковыми группами

R - Gly, Ala, Leu, Ile, Met, Phe, Pro, Trp, Val;

- с полярными нейтральными боковыми группами

R - Asn, Gln, Ser, Cys, Thr, Tyr;

- аминокислоты с кислотными боковыми группами R - Asp, Glu;

- аминокислоты с основными боковыми группами R - Arg, His, Lys.

2. По типу аминогруппы – с первичной, вторичной, третичной амино- группой:

глицинN-метилглицинN,N-диметилглицин аминоуксусная кислота (рац.)N-метиламиноуксуснаяN,N-диметламиноуксусная аминоэтановая кислота (IUPAC) кислота кислота

Природа боковых цепей 20 протеиногенных аминокислот приведена на

рисунке 2.

А. Гидрофобные аминокислоты (с неполярными радикалами)

Гли Н – Ала СН₃ – Мет СН₃ – S – CH₂ – CH₂ –

СН₃ Фен – СН₂ –

Вал СН –

СН₃

СН₃ Три – СН₂ –

Лей СН – СН₂ –

СН₃ NH

СН₃ – СН₂ Про

Иле СН – – СО –

СН₃ N

Б. Полярные аминокислоты

Б1. С гидрофильными радикалами (неионогенные)

Сер СН₂ – Тре СН₃ – СН – Цис СН₂ –

  

ОН ОН SH

Асн Н₂NОС – СН₂ – Глн Н₂NОС – СН₂ – СН₂ –

Б2. Кислые (ионогенные)

Асп НООС – СН₂ – Глу НООС – СН₂ – СН₂ – Тир – СН₂ –

НО

Б3. Основные (ионогенные)

Лиз Н₂N – ( CH₂ )₃ – CH₂ – NН₂ Гис СН₂ –

Арг Н = С

NН – ( СН₂ )₃ – N NH –

Рисунок 2- Боковые цепи аминокислот, способных включаться в состав белков²

Среди аминокислот различают также:

- аминокислоты, входящие в состав белков;

- свободные аминокислоты;

- аминокислоты, синтезируемые в организме из других аминокислот.

Все живые организмы различаются и по способности синтезировать аминокислоты, необходимые для биосинтеза белков. В организме человека синтезируется часть аминокислот, другие должны доставляться готовыми с пищей. Первые из них называютсязаменимыми,вторые –незаменимыми (эссенциальными)аминокислотами, они не могут синтезироваться в организме человека.

Заменимые аминокислоты способны заменять одна другую в рационе человека и животных, так как они превращаются друг в друга или синтезируются из промежуточных продуктов углеводного или липидного обмена. Для незаменимых аминокислот такие пути обмена существуют только у растений и некоторых микроорганизмов, например у E. сoli.

Жизнедеятельность человека обеспечивается ежедневным потреблением с пищей 8 незаменимых -аминокислот: валина, лейцина, изолейцина, лизина, метионина, фенилаланина, треонина, триптофана и двух частично заменимых. Так как из метионина синтезируется цистеин, из фенилаланина тирозин, то наличие в пище в достаточном количестве заменимых аминокислот сокращает потребность в незаменимых их предшественниках.

К частично заменимым аминокислотам относятся аргинин и гистидин, так как они медленно синтезируются в организме. Недостаточное потребление аргинина и гистидина у взрослого человека не отражается чрезмерно на его развитии, однако может возникнуть экзема или нарушиться синтез гемоглобина. В данных аминокислотах особенно нуждается молодой растущий организм.

Отсутствие в пище хотя бы одной незаменимой аминокислоты приводит к

отрицательному азотистому балансу, авитаминозу, нарушению работы центральной нервной системы, остановке роста. Нехватка одной незаменимой аминокислоты негативно отражается на усвоении других аминокислот, так как по закону Либиха, развитие живых организмов определяется тем незаменимым веществом, которое присутствует в наименьшем количестве.

Отсутствие в пище хотя бы одной незаменимой аминокислоты вызывает отрицательный азотистый баланс, нарушение деятельности центральной нервной системы, остановку роста, авитаминоз. Нехватка одной незаменимой аминокислоты приводит к неполному усвоению других. Данная закономерность подчиняется закону Либиха, по которому развитие живых организмов определяется тем незаменимым веществом, которое присутствует в наименьшем количестве

Зависимость функционирования организма от количества незаменимых аминокислот используется при определении биологической ценности белков химическими методами. Наиболее широко используется метод Х. Митчела и Р. Блока (Mitchell,Block, 1946), в соответствии с которым рассчитывается показательаминокислотного скора. Скор выражают в процентах или безразмерной величиной, представляющей собой отношение содержания незаменимой аминокислоты в исследуемом белке к ее количеству в эталонном белке. При расчете скора в процентах формула выглядит следующим образом:

Аминокислотный скор, % =

х 100

мг а.к. в 1 г белка

мг а.к. в 1 г эталона

Аминокислотный состав эталонного белка сбалансирован и идеально соответствует потребностям организма человека в каждой незаменимой кислоте, поэтому его еще называют "идеальным". В 1973 г в докладе ФАО и ВОЗ опубликованы данные по содержанию каждой аминокислоты в эталонном белке, в 1985 г они уточнены в связи с накоплением новых знаний об оптимальном рационе человека (таблица 1).

Аминокислота, скор которой имеет самое низкое значение, называется первой лимитирующей аминокислотой. Значение скора этой аминокислоты Таблица 1 - Рекомендуемые составы и суточная потребность взрослого человека в незаменимых аминокислотах

Незаменимые аминокислоты	ФАО / ВОЗ, 1985 г.			ФАО / ВОЗ, 1973 г. Взрослые	Мг/кг массы тела в сутки
	Дети, возраст
	2 – 5	10 – 12	Подростки
Изолейцин	28	28	13	40	10
Лейцин	66	44	19	70	14
Лизин	58	44	16	55	12
Метионин + цистин	25	22	17	35	13
Фенилаланин + тирозин	63	22	19	60	14
Треонин	34	28	9	40	7
Триптофан	11	9	5	10	3,5
Валин	35	25	13	50	10

определяет биологическую ценность и степень усвоения белков. Наглядно показатель биологической ценности можно изобразить в виде самой низкой доски бочки Либиха на примере белков пшеницы (рисунок 3).

Рисунок 3Полная емкость бочки соответствует "идеальному" белку, а высота доски лизина – биологической ценности пшеничного белка.