VIII. Оценка формы белковых молекул
Форма белковых молекул также может быть оценена с помощью метода ультрацентрифугирования. При этом существует зависимость, согласно которой, чем форма белковых молекул более компактна, тем выше скорость седиментации, и наоборот. На основании этого строят калибровочные кривые.
Помимо этого используют чисто оптические методы, например, метод двойного лучепреломления в потоке и электронную микроскопию.
Путем многочисленных экспериментальных исследований выяснено, что молекулы белков бывают глобулярными (имеют компактную форму, шарообразную или вытянутую с небольшим соотношением длины к ширине [до 1 : 6]) и фибриллярную (вытянутая форма с большим соотношением длины к ширине или вообще нитевидная).
Глобулярные белки – рибонуклеаза, пепсин, гемоглобин, липопротеин, альбумины и глобулины; фибриллярные – фибриноген, коллаген, фиброин шёлка и др.
IX. Аминокислотный состав белков
При исследовании белков оказалось, что они в основном состоят из аминокислот, соединенных друг с другом пептидными связями –C(O)–NH–. Белки способны подвергаться гидролизу при нагревании в кислой среде (20%-ный раствор HCl). Все белки при нагревании в этом растворе разрушаются с образованием аминокислот практически без повреждения последних.
Первая аминокислота была получена из сока аспарагуса (спаржи) в 1806 г. С того времени из белков растений, животных и микроорганизмов было выделено около 30 аминокислот, хотя всего в живых организмах их существует несколько сотен (в подавляющем большинстве – в свободном виде). Аминокислоты, входящие в состав белков, подразделяются на постоянно встречающиеся в белках и иногда встречающиеся. Постоянно встречаются 18 аминокислот и 2 амида – амид аспарагиновой кислоты – аспарагин и амид глутаминовой кислоты – глутамин.
IX.1. Строение аминокислот
Аминокислоты представляют собой карбоновые кислоты как минимум с одной аминогруппой в -положении по отношению к карбоксильной группе. В их состав входят также разнообразные радикалы: алифатические, серосодержащие, спиртовые, ароматические, гетероциклические, а также дополнительные карбоксильные и аминогруппы.
Выделяют несколько групп аминокислот:
1) Моноаминомонокарбоновые:
Глицин (гликокол) – аминоуксусная кислота (гли)
NH2–CH2–COOH
L-Аланин – -аминопропионовая кислота (ала)
L-Валин – -аминоизовалериановая кислота (вал)
L-Лейцин – -аминоизокапроновая кислота (лей)
L-Изолейцин – -амино--метилвалериановая кислота (иле)
2) Моноаминодикарбоновые и их амиды:
L-Аспарагиновая кислота – аминоянтарная кислота (асп)
L-Аспарагин – амид аспарагиновой кислоты (асн)
L-Глутаминовая кислота – -аминоглутаровая кислота (глу)
L-Глутамин – амид глутаминовой кислоты (глн)
3) Диаминомонокарбоновые:
L-Аргинин – -амино--гуанидинвалериановая кислота (арг)
L-Лизин – ,-диаминокапроновая кислота (лиз)
4) Оксиаминокислоты:
L-Серин – -амино--оксипропионовая кислота (сер)
L-Треонин – -амино--оксимасляная кислота (тре)
5) Серосодержащие аминокислоты:
L-Цистеин – -амино--тиолпропионовая кислота (цис)
L-Метионин – -амино--метилтиомасляная кислота (мет)
6) Ароматические аминокислоты:
L-Фенилаланин – -амино--фенилпропионовая кислота (фен)
L-Тирозин – -амино--параоксифенилпропионовая кислота (тир)
7) Гетероциклические аминокислоты:
L-Пролин – пирролидин--карбоновая кислота (про)
L-Гистидин – -амино--имидазолилпропионовая кислота (гис)
L-Триптофан – -амино--индолилпропионовая кислота (три)
IX.2. Происхождение аминокислот
Существует 2 версии образования аминокислот. Первая из них говорит о том, что аминокислоты возникли на Земле в Архейский период. Атмосфера на нашей планете тогда была восстановительной. Под действием высоких температур, вулканической деятельности, грозовых разрядов и ультрафиолетового излучения Солнца могли происходить следующие реакции:
C + 2H2 CH4
N2 + 3H2 2NH3
CH4
+ NH3
H–CN
+ 6H
2H2 + O2 2H2O
Другая теория говорит о том, что аминокислоты могут образовываться в газофазных реакциях даже в космическом пространстве, поскольку аминокислоты с помощью спектрального метода могут обнаруживаться даже в космосе, в составе туманностей.
IX.3. Свойства аминокислот
Любые свойства аминокислот, а, значит, и свойства белков, зависят от строения радикалов аминокислот. Радикалом аминокислоты называют группировку атомов в её молекуле, связанную с -атомом углерода и не принимающую участия в построении полипептидной цепи. Среди аминокислотных радикалов, как уже отмечалось, встречаются алкильные; содержащие амино- и карбоксильные группы; гидроксил и тиолсодержащие радикалы; ароматические и гетероциклические радикалы. Радикалы аминокислот обуславливают определенные физические и химические свойства как самих аминокислот, так и состоящих из них белков.
IX.3.1. Физические свойства
Радикалы аминокислот различны по длине и объему. Немаловажную роль играет также их взаимное расположение. От этих параметров зависят объем, форма и рельеф белковой молекулы. Часть радикалов аминокислот, таких как глицина, аланина, валина, лейцина, изолейцина, фенилаланина и тирозина неполярны, остальные имеют большую или меньшую полярность. Это определяет растворимость белков в различных растворителях.
Физические свойства радикалов аминокислот в белках определяют их биокаталитическую активность (в плане удержания субстрата), способность к образованию надмолекулярных структур, свойства денатурации и ренатурации, динамические переходы между глобулярными и фибриллярными формами и др. факторы.
К физическим аминокислот, как уже отмечалось, относится их оптическая активность. Все аминокислоты, за исключением глицина, имеют в своем составе асимметрический атом углерода и существуют в форме двух оптических изомеров:
Условно в проекционной формуле Фишера если аминогруппа в оптическом изомере аминокислоты расположена справа, то этот изомер относится к D-ряду, а если справа – к L-ряду. Напоминаю, что все природные аминокислоты относятся к L-ряду. Если же аминокислоты синтезируются промышленно, как правило получается смесь D- и L-изомеров в отношение 1 : 1, называемая рацемической смесью или рацематом.
IX.3.2. Химические свойства
Химические свойства аминокислот связаны с возможностью их радикалов вступать в разнообразные химические реакции.
Такое разнообразие позволяет им вступать в многочисленные реакции при обработке соответствующими реагентами:
1) солеобразование (по аминогруппам и карбоксильным группам);
2) окисление и восстановление (по тиольным и дисульфидным группировкам – в цистеине и цистине);
3) алкилирование, ацилирование и этерификация (по аминогруппам, гидроксильным группам и карбоксильным группам);
4) амидирование (по крабоксильным группам);
5) нитрование и галогенирование (по ароматическим радикалам);
6) дезаминирование с образованием гидроксилпроизводных и свободного азота (по аминогруппам);
7) фосфорилирование и сульфатирование (по гидроксильным группам);
8) азосочетания с диазосоединениями (по ароматическим и гетероциклическим радикалам).
Не все описанные реакции возможны в живых организмах. В клетках, как правило, протекают следующие химические процессы с участием радикалов аминокислот: солеобразование, окисление, восстановление, ацилирование, этерификация, амидирование, фосфорилирование.
Химические свойства аминокислотных радикалов обуславливают химические свойства белков, их каталитические свойства (активный центр, способный к химическому преобразованию субстрата), формирование третичной и четвертичной структуры, способность образовывать соединения с углеводами, липидами, нуклеиновыми кислотами и другими веществами живых организмов и многие другие.
Однако главнейшим химическим свойством аминокислот, обуславливающим материальную основу всех жизненных процессов, является их способность вступать в химические реакции между собой. В этой химической реакции задействованы не радикалы, а карбоксильные и аминогруппы аминокислот. Подобного рода реакции – биокаталитические и проходят по сложному рибосомальному механизму биосинтеза белка, который мы рассмотрим позднее. Схематически их можно изобразить так:
В результате каждого элементарного акта реакции образуется одна пептидная связь. Образовавшийся димер называется дипептидом, затем образуется трипептид, тетрапептид и т.д. Конечным продуктом синтеза белка является полипептид.