Структура та рівні організації молекули білка

Амінокислотні залишки в молекулі білка сполучаються між собою міцними ковалентним зв`язком, який виникає між карбоксильною групою однієї амінокислоти і аміногрупою іншої. Такий тип зв`язку - пептидний.

Структури, які складаються з великої кількості амінокислотних залишків – поліпептиди.

Поліпептиди з високою молекулярною масою – білки.

Вони складаються з одного або кількох поліпептидних ланцюгів, які можуть містити до кількох тисяч амінокислотних залишків.

Відомо чотири рівні структурної організації білків: первинний, вторинний, третинний, четвертинний.

Первинна структура білків визначається якісним і кількісним складом амінокислот, а також їхньою послідовністю. В основі утворення первинної структури лежать пептидні зв'язки.

Наприклад, білок інсулін складається з двох поліпептидних ланцюгів. За допомогою різноманітних фізико-хімічних методів досліджень розшифровано первинну структуру значної кількості білків.

Вторинна структура характеризує просторову форму білкової молекули, яка найчастіше повністю або частково закручується у спіраль. Амінокислотні радикали (R-групи) залишаються при цьому ззовні спіралі. У стабілізації вторинної структури важливу роль відіграють водневі зв'язки, які виникають між атомами водню NН-групи одного завитка спіралі та кисню СО-групи іншого й спрямовані вздовж спіралі. Хоча ці зв'язки значно слабші за пептидні, однак разом вони формують досить міцну структуру.

Третинна структура відбиває здатність поліпептидної спіралі укладатись, закручуючись певним чином, утворюючи глобулу.

Наприклад, білок міоглобін. Для кожного білка ця структура постійна і своєрідна. Вона визначається розміром, формою та полярністю R-груп, а також послідовністю амінокислотних залишків. Формування третинної структури приводить до виникнення конфігурації під назвою глобули і спричинюється різними типами нековалентних взаємодій (гідрофобних, іонних, водневих зв'язків). Важлива роль у стабілізації третинної структури належить дисульфідним зв'язкам, які виникають між залишками амінокислоти цистеїну.

Четвертинна структура виникає внаслідок об'єднання окремих поліпептидних ланцюгів (глобул), які у сукупності становлять функціональну одиницю. Наприклад, четвертинна структура гемоглобіну, молекула якого складається з чотирьох фрагментів білка міоглобіну.

Стабілізація четвертинної структури визначається гідрофобними взаємодіями (білок при цьому скручується так, що його гідрофобні бічні ланцюги занурені всередину молекули, тобто захищають її від взаємодії з водою, а бічні гідрофільні - розташовані назовні), а також електростатичними та іншими взаємодіями і водневими зв'язками. Для четвертинної структури одних білків властиве глобулярне розміщення субодиниць, інші білки об'єднуються в спіральні структури.

Денатурація білка, як одна з його властивостей

Під впливом різних фізико-хімічних чинників (дія концентрованих кислот і лугів, важких металів, високої температури тощо) структура та властивості білків можуть змінюватися. Процес порушення природної структури білка або розгор тання поліпептидного ланцюга без руйнування пептидних зв'язків називається денатурацією.

Як правило, денатурація має необоротний характер. Однак на перших стадіях, за умов припинення дії негативних чинників, білок може відновлювати свій нормальний стан (ренатурація).

У живих організмів звичайна часткова зворотна денатурація білків пов'язана з їхніми функціями (рухова, сигнальна, каталітична тощо). Процес руйнування первинної структури білків завжди необоротний, він називається деструкцією.

Фізичні та хімічні властивості білків різноманітні:

• є білки гідрофільні та гідрофобні;

• одні з них під дією чинників легко змінюють свою структуру, але є і стійкі до подібних впливів.

За фізико-хімічними властивостями білки поділяють на:

• прості (протеїни);

• складні (протеїди).

Прості білки складаються виключно з залишків амінокислот;

Складні містять сполуки іншої природи (залишки фосфорної та нуклеїнових кислот, вуглеводів, ліпідів тощо).

Функції білків

Біологічні функції білків надзвичайно різноманітні:

1) Будівельна (структурна) функція. Вони є складовою частиною біологічних мембран. З білків складаються мікротрубочки та мікронитки, які виконують роль скелета клітини (цитпоскелета). Утворюючи волоконця, накручені одне на одне або вистелені шаром, вони скріплюють клітинні структури, надаючи їм міцності. Головним компонентом хрящів і сухожилків є пружний та міцний білок колаген. Білок еластин, що міститься у зв'язках, має здатність розтягуватись. Білок осеїн надає кісткам пружності. Волосся, нігті та пір'я складаються переважно з міцного нерозчинного білка кератину.

2) Захисна функція білків, крім запобігання ушкодженням клітин, органів й організму в цілому, також виявляється в захисті його від паразитів і сторонніх білків. В організмі хребетних тварин утворюються захисні білки-імуноглобуліни (або антитіла - спеціалізовані білки, які виробляються лімфоцитами. Вони здатні розпізнавати та знешкоджувати бактерії, віруси, чужорідні для організму білки. Білки крові - фібрин, тромбопластин і тромбін - беруть участь у процесах її зсідання, запобігаючи значним крововтратам.

3) Регуляторна функція. Деякі білки регулюють активність обміну речовин Це — гормони білкової природи та ферменти.

4) Сигнальна функція білків. Окремі складні білки клітинних мембран здатні «розпізнавати» специфічні хімічні сполуки і певним чином на них реагувати (зв'язувати їх або, змінюючи свою структуру).

5) Скорочувальна, або рухова функція. Є білки, здатні скорочуватись забезпечуючи здатність клітини, тканини чи організму змінювати форму, рухатись. Так, актин і міозин - це скоротливі білки, які функціонують у скелетних м'язах, а також у багатьох не-м'язових клітинах.

6) Запасаюча функція. Деякі білки можуть відкладатися про запас (у білковій оболонці пташиних яєць накопичується альбумін).

7) Поживна функція. В ендоспермі насіння багатьох видів рослин (пшениці, кукурудзи, рису) є білки, які зародок споживає на перших етапах розвитку

8) Транспортна. Одна з основних функцій білків - це транспорт неорганічних іонів і специфічних органічних речовин. Так, гемоглобін, який міститься в еритроцитах крові, у безхребетних може виконувати функцію транспорту газів. Крім кисню, гемоглобін переносить певну частину (до 10%) СО₂, що вивільняється внаслідок розпаду речовин і транспортується кров'ю до легень і нирок, звідки виводиться назовні.

9) Енергетична. полягає в тому, що при їх розщепленні в клітині вивільняється енергія. (при повному розщепленні 1г білків у середньому ви вільняється 17,2 кДж енергії).

Складні білки - нуклеопротеїди, складовими частинами яких є залишки нуклеїнових кислот – матеріальні носії спадкової інформації.

Багато білків утворюють складні комплекси з пігментами.

10) Каталітична. Її виконує певний клас білків - ферменти, що прискорюють біохімічні реакції.

Ферменти

Їх відомо понад 2 000. Вони становлять собою прості (однокомпонентні) чи складні (двокомпонентні) білки.

Складні білки, на відміну від простих (пепсину, трипсину тощо), містять небілкову частину. Небілкова частина ферментів може бути представлена або органічними речовинами (наприклад, похідними вітамінів), або катіонами чи аніонами.

Білкова частина – апофермент, небілкова – кофермент.

Специфічність ферменту стосовно речовин, реакцію за участю яких він каталізує, визначає білковий компонент. Але активність складних ферментів проявляється лише тоді, коли білкова частина сполучається з небілковою.

Каталітичну активність ферменту зумовлює не всякого молекула, а лише її невелика ділянка - активний центр. Його структура відповідає хімічній будові речовин, які вступають у реакцію. Тому дія ферменту специфічна. В одній молекулі ферменту може бути кілька активних центрів.

Властивості ферментів:

1) Ферментативна реакція перебігає в 100-1000 разів швидше, ніж у середовищі без ферментів. За кілька секунд чи навіть часток секунди в організмі відбувається складна послідовність реакцій, для проведення якої із застосуванням звичайних хімічних каталізаторів потрібні дні, тижні або навіть місяці.

2) У результаті ферментативних реакцій, на відміну від безферментних, не утворюються побічні продукти.

3) Їхня активність проявляється лише за певних умов: температури, тиску, рН середовища тощо.

4) Ферментативні реакції перебігають у вигляді послідовних етапів (від кількох до десятків).

5) Ферменти знижують так звану енергію активації.

Для хімічної взаємодії двох сполук потрібно, щоб розірвалися одні хімічні зв'язки й утворилися інші. На розрив певного зв'язку витрачається енергії не менше, ніж на його утворення. Ця її кількість має назву енергії активації.

Фермент (його активний центр), утворюючи нестійкий проміжний комплекс з речовинами, що вступають у реакцію, знижує таким чином енергію активації. Цей комплекс швидко розпадається з утворенням продуктів реакції. Сам фермент при цьому не втрачає своєї структури, а отже й активності, і може каталізувати наступну подібну реакцію.

6) Ферменти мають певне розташування як у межах окремої клітини, так і організму в цілому. У клітині ферменти локалізуються впевних її частинах, багато з них зв'язані із мембранами клітин або окремих органел (мітохондрій, пластид тощо).

7) Деякі ферменти беруть участь в активному транспорті речовин через мембрани.

Організми здатні регулювати біосинтез ферментів. Це дає змогу підтримувати відносно сталий їхній склад за значних змін умов довкілля і частково видозмінювати ферменти у відповідь на такі зміни.

Дія різних біологічно активних речовин (гормони, лікарські препарати, стимулятори росту рослин, отрути тощо) полягає в тому, що вони можуть стимулювати або пригнічувати той чи інший ферментативний процес.

4. Вуглеводи: будова і функції

Назва «вуглеводи» походить від того, що більшість речовин цього класу є спо луками вуглецю та води і відповідають формулі (СН₂О)_п. Проте є вуглеводи, у яких співвідношення згаданих елементів дещо інше, а деякі з них містять також атоми азоту, фосфору чи сірки.

У тваринних клітинах вуглеводи присутні в незначній кількості (близько 1% сухої маси, в клітинах печінки та м'язів - до 5%), у рослинних їх значно більше (у листках, насінні, плодах - майже 70%, а у бульбах картоплі - до 90%).

Вуглеводи поділяють на три основні класи:

• моносахариди,

• олігосахариди,

• полісахариди.

Моносахариди, або прості цукри, мають загальну формулу С_пН_2пО_п.

За кількістю атомів вуглецю їх поділяють на:

- тріози (3 атоми), - тетрози (4),

- пентози (5), - гексози (6) ....... - декози (10).

Моносахариди можуть існувати у двох формах:

1. лінійна (вуглеводний ланцюг відкритий);

2. циклічна (замкнений).

У природі найпоширеніші гексози, а саме глюкоза та фруктоза. Із пентоз відомі рибоза і дезоксирибоза, що входять до складу відповідно рибонуклеїнових (РНК) та дезоксирибонуклеїнової (ДНК) кислот.

Олігосахариди - полімерні вуглеводи, в яких моносахаридні ланки з'єднані ковалентним зв'язком. Серед олігосахаридів найпоширеніші дисахариди, які утворюються завдяки сполученню двох молекул моносахаридів.

Наприклад: - сахароза (складається із залишків глюкози та фруктози);

• лактоза (із залишків глюкози й галактози).

Дисахариди мають приємний солодкий смак, вони, як і моносахариди, добре розчиняються у воді.

Полісахариди – біомолекули з високим ступенем полімеризації. Молекулярна маса деяких із них може досягати кількох мільйонів. Полісахариди відрізняються один від одного не тільки складом мономерів, а й довжиною та ступенем розгалуженості ланцюгів. Полісахариди майже не розчиняються у воді і не мають солодкого смаку.

Один з найпоширеніших полісахаридів - крохмаль — складається із залишків глюкози. Він синтезується в клітинах рослин і відкладається в листках, насінні, бульбах тощо у вигляді зерен. Багато крохмалю є у насінні рису та бульбах картоплі. В клітинних стінках рослин міститься також целюлоза Переважно з целюлози складаються деревина, корок, бавовна.

У грибів, тварин і людини резервним полісахаридом є глікоген, який у тварин відкладається здебільшого у м'язах, а у хребетних - ще й у печінці.

Функції вуглеводів:

1) Енергетична функція. Полісахариди та олігосахариди розщеплюються до моносахаридів з наступним окисненням до СО₂ і Н₂О. При повному розкладі граму цих речовин вивільнюється 17,6 кДж енергії. Вуглеводи, на відміну від ліпідів і білків, здатні також і до безкисневого розщеплення, що має винятково важливе значення для організмів, які живуть в умовах дефіциту кисню (наприклад, паразити внутрішніх органів людини і тварин).

2) Будівельна функція . Вони входять до складу опорних елементів. Так хітин є головним компонентом зовнішнього скелета членистоногих. Клітинні стінки рослин, утворені з целюлози, захищають клітини та підтримують їхню форму.

5. Ліпіди

Структура та властивості.

Ліпіди – це низькомолекулярні речовини з гідрофобними властивостямим, тобто нерозчинні у воді. Ліпіди здатні створювати складні комплекси з білками, вуглеводами, залишками фосфорної кислоти тощо. Молекули ліпідів мають різну хімічну будову.

Серед ліпідів найпоширеніші жири. Вони є основною речовиною жирових включень клітин. їхній вміст у клітині становить від 5 до 15% її сухої маси, а у клітинах жирової тканини - до 90%. Підвищений вміст жирів у нервовій тканині. Жири є у молоці, у деяких рослин жирів багато в насінні та плодах (соняшник, волоський горіх, маслина тощо).

Фосфоліпіди - найбільша частина ліпідів, які входять до складу мембран. Звідси ясно, що основні функції мембран (регулювання проникності різних речовин і клітинного вмісту, функціонування іонних насосів, сприйняття, об роблення і передача всередину клітини інформації з її поверхні, імунна відповідь, синтез білків і багато іншого) здійснюються за участю фосфоліпідів.

Нейтральні ліпіди - це похідні вищих жирних кислот і триатомного спирту гліцерину.

До ліпідів також належать стероїди та воски. На відміну від жирів, ці сполуки не містять залишків жирних кислот.

Стероїди є важливим компонентом статевих гормонів, що виробляються корковим шаром надниркових залоз, вітаміну Б тощо.

Воски виконують захисну функцію.

1. У ссавців - вони змащують шкіру і волосся.

2. У птахів воски, які секретує куприкова залоза надають пір'ю водовідштовхувальних властивостей.

3. Восковий шар вкриває поверхню тіла наземних членистоногих, запобігаючи надмірному випаровуванню води.

4. З воску бджоли будують соти.