Слесарев. Основы Химии живого

Таблица 21.2

Классификация липопротеинов

Роль хиломикронов и липопротеинов очень низкой плотно­ сти заключается в транспорте жиров и их гидролизе под дейст­ вием липопротеинлипазы. По мере расщепления жиров проис­ ходит превращение:

Хиломикроны —► ЛОНП —► Р-Липопротеины (ЛНП) —► —► а-Липопротеины (ЛВП)

(З-Липопротеины в основном транспортируют холестерин в клет­ ки, а а-липопротеины выводят из клеток избыток холестерина.

При изучении липопротеинового состава сыворотки крови ус­ тановлено, что чем больше отношение р-липопротеины/а-липо- протеины, тем больше опасность обильных отложений холесте­ рина на внутренней поверхности кровеносных сосудов, т. е. ате­ росклероза. Атеросклероз способствует развитию инсульта или инфаркта миокарда за счет ограничения кровотока через су­ женные сосуды мозга или сердца.

Поверхностные свойства белков, характеризующие их спо­ собность к межмолекулярным взаимодействиям, лежат в основе взаимодействия фермента с субстратом (разд. 5.6), антитела с антигеном и объясняют различные взаимодействия, называе­ мые в биологии специфической комплементарностью (теория "ключа и замка"). Во всех этих случаях имеет место строгое со­ ответствие между поверхностной структурой и свойствами взаи­ модействующих частиц, которые обеспечивают высокую эф­ фективность различных видов межмолекулярных взаимодейст­ вий между ними (рис. 21.3). В биологии это часто упрощенно отражают, используя графическое соответствие форм и разме­ ров взаимодействующих частиц (рис. 21.7).

Информационные свойства белков. Молекулы белков и отдель­ ные их фрагменты рассматриваются как носители биологической

\ \ м м ш € к

Рис. 21.7. Графическая интерпретация соответствия межмолекуляр­ ных взаимодействий между белковыми частицами, описываемых специфической комплементарностью или теорией "ключа и замка"

информации, в которой роль букв алфавита играют 2 0 амино­ кислотных остатков. В основе считывания этой информации на­ ходятся различные виды межмолекулярных взаимодействий и стремление системы использовать их эффективно. Например, в ферментах вблизи активного центра часть белковой молекулы содержит определенные аминокислотные остатки, заместители которых сориентированы в пространстве так, чтобы происходило узнавание строго определенного субстрата, с которым реагирует данный фермент. Аналогично протекает взаимодействие анти­ тело - антиген или происходит синтез в организме соответст­ вующего антитела на появившийся антиген. Информационные свойства белков лежат в основе иммунитета, представляющего собой целостную систему биологических механизмов самозащиты организма, в основе которых лежат информационные процессы распознавания "свой” и ”чужой” . ’’Аминокислотный язык”, содержащий 2 0 единиц, является одним из наиболее оптималь­ ных и надежных способов кодирования важной информации для жизнедеятельности живых систем, включающей сведения о форме отдельных органов и организма в целом.

Кислотно-основные свойства. Белки, как и а-аминокислоты (разд. 8 .2 ), являются полиамфолитами, проявляя кислотные свой­ ства за счет неионизованных карбоксильных групп —СООН, аммо­ нийных групп —NHJ, тиольных групп —SH, а также л-гидрокси-

ляют за счет групп —СОО“, аминогрупп —NH2 , а также замес­ тителей имидазола —C3 H3 N2 и гуанидина —(CH5 N3)+. В водных растворах в зависимости от pH среды белки могут находиться при pH = рI белка в молекулярной, т. е. нейтральной форме, имеющей биполярно-ионное строение, при pH < рI белка появля­ ется катионная форма, и при pH > рI белка появляется анион­ ная форма, в основном за счет ионизации заместителей (—RH).

562

В сильнокислой среде происходит протонирование ионизо­ ванной карбоксильной группы белка, а в сильнощелочной сре­ де - депротонирование концевой аммонийной группы. Однако в биологических средах, для которых не характерны такие край­ ние значения pH, подобных превращений с белковыми молеку­ лами не происходит. Кислотно-основные превращения в моле­ кулах белков, естественно, сопровождаются изменением их кон­ формации, а следовательно, биологические и физиологические функции катиона или аниона белков будут отличаться не толь­ ко друг от друга, но и от функций их молекул.

В зависимости от аминокислотного состава белки подразде­ ляются на "нейтральные” (р/ = 5,0 * 7,0), "кислотные" (р/ < 4,0) и "основные", или "щелочные" (рI > 7,5) (табл. 21.3). В кислотных белках повышенное содержание аспарагиновой или глутаминовой кислот, а в "основных" - аргинина, лизина или гистидина. На основе белков в организме действуют белковые буферные сис­ темы (разд. 8.4).

Различие в кислотно-основных свойствах белков лежит в осно­ ве разделения и анализа белковых смесей методами электрофореза и ионообменной хроматографии. В постоянном электрическом по­ ле белки обладают электрофоретической подвижностью, причем направление их движения к катоду или аноду зависит от значения pH раствора и рI белка. При pH < рI белок частично находится в форме катиона и перемещается к катоду. При pH > рI белок пере­ мещается к аноду, поскольку частично находится в форме аниона. При pH = рI белок полностью находится в молекулярной форме и под действием электрического поля не перемещается. Электрофо­ ретическая подвижность иона белка зависит от его размера и заря­ да, а также от pH раствора. Подвижность иона будет тем больше, чем больше разница между pH раствора и рI белка. Анализ белка с помощью электрофореза широко применяется в клинической биохимии для диагностики заболеваний.

Комплексообразующие свойства. Белки - активные полидентатные лиганды (разд. 10.1), особенно содержащие мягкие

563

функциональные группы: тиольную, имидазольную, гуанидино­ вую, аминогруппу:

Вследствие наличия в молекулах белков различных функцио­ нальных групп они образуют комплексные соединения разной устойчивости в зависимости от поляризуемости иона комплексо­ образователя. С малополяризуемыми (жесткими) катионами К+ и Na+ белки образуют малоустойчивые комплексы, которые в ор­ ганизме выполняют роль ионофоров для катионов или активато­ ров белков как субстратов для тех или иных биохимических процессов. С менее жесткими катионами Mg2+ или Са2+ белки образуют достаточно прочные комплексы. С катионами d-метал­ лов: железа, меди, марганца, цинка, кобальта, молибдена ("ме­ таллы жизни"), достаточно поляризуемыми, т. е. мягкими, бел­ ки образуют прочные комплексы. Однако особенно прочные ком­ плексы они образуют с катионами металлов-токсикантов: свинца, кадмия, ртути и другими, проявляющими высокую поляризуе­ мость, т. е. очень мягкими. Прочные комплексы белков с катио­ нами металлов часто называют металлопротеинами.

Множество ферментов представляют собой хелатные ком­ плексы белка с катионом какого-либо "металла жизни". При этом именно катион комплексообразователя под влиянием белка-ли­ ганда является активным центром фермента, а фрагмент белко­ вой молекулы вблизи этого центра обычно выполняет роль опознавателя и активатора субстрата. Белковый компонент металлофермента часто называют апоферментом.

Все белки при обработке солями меди в щелочной среде об­ разуют хелатный комплекс фиолетового цвета, что является ка­ чественной реакцией на белки, которая называется биуретовой реакцией:

Эта реакция происходит путем депротонирования пептид­ ных групп белка, чему способствуют щелочная среда и наличие в ней иона комплексообразователя.

Электрофильно-нуклеофильные реакции. К этим реакциям прежде всего относится гидролиз белков - основной путь их ка-

564

таболизма (распада) в организме. При гидролизе белка реагент - молекула воды - выступает и как нуклеофил за счет ОН- , и как электрофил за счет Н+. Нуклеофильная частица ОНатакует электрофильный центр пептидной связи, т. е. углеродный атом карбонильной группы, а нуклеофильный центр этой связи - атом азота - атакуется электрофилом - протоном. В результате атаки молекулами воды пептидные связи в белках разрываются, и об­ разуются вначале а-аминокислоты и пептиды, а конечными продуктами являются а-аминокислоты.

Гидролитический распад белков протекает в любой клетке организма, точнее, в ее липосомах, где сосредоточены гидроли­ тические ферменты. Гидролиз белков может быть частичным (до пептидов) и полным (до аминокислот). Частичный гидролиз ускоряется протпеинавами, которые способствуют образованию пептидов. Полученные пептиды гидролизуются до аминокислот при участии пептидаз. В организме гидролиз белков осуществ­ ляется в основном целым набором ферментов, каждый из кото­ рых расщепляет ту пептидную связь, которая образована опреде­ ленными аминокислотами. Так, карбоксипептидаза специфиче­ ски отщепляет от белков С-концевую аминокислоту, трипсин гидролизует пептидную связь между аминокислотами с непо­ лярным (гидрофобным) заместителем. Химотрипсин расщепля­ ет пептидную связь, образованную фенилаланином, тирозином, триптофаном с другими аминокислотами. В организме пищевые белки расщепляются полностью, поскольку для жизнедеятель­ ности используются в основном свободные а-аминокислоты.

В лабораторных условиях белки гидролизуются как в кислой, так и в щелочной среде. Однако щелочной гидролиз практически не используется из-за неустойчивости многих а-аминокислот в этих условиях. Обычно полный гидролиз проводят при нагрева­ нии белка до 110 °С в запаянной ампуле с 20 % НС1 в течение 24 ч. В этих условиях гидролиз белка протекает до конца, но образующийся триптофан при этом полностью разлагается. По­ этому предпочтение отдают ферментативному гидролизу.

Белки организма, содержащие аспарагиновую и глутамино­ вую кислоты, могут выступать акцептором аммиака, который как нуклеофил реагирует по свободным карбоксильным группам заместителя, т. е. происходит реакция амидирования белков:

Реакция амидирования - эндэргоническая, поэтому в орга­ низме она сопряжена с реакцией гидролиза АТФ.

С целью стерилизации объектов (полного освобождения от микроорганизмов) их обрабатывают формальдегидом. Формаль­ дегид как активный электрофил реагирует по свободным ами­ ногруппам белков, образуя их метилольные производные:

565

В результате этой реакции белок теряет свои нативные свой­ ства, так как происходит его необратимая денатурация.

Активные электрофильные реагенты (ЕХ): 2,4-динитрофтор- бензолу фенилизотиоцианат или дансилхлорид - используются для установления первичной структуры белков или пептидов. Они в присутствии оснований реагируют по N-концевой амино­ кислоте аниона белка и способствуют ее отщеплению в виде со­ ответствующего производного Е—NH—CRH—СООН, легко иден­ тифицируемого или хроматографически, или спектрально:

EX + H2 NCRHCONH—Prot—СОО- jg * -

—► Е—NHCRHCOOH + H3 N—Prot'—СОО"

+

Оставшаяся часть белка (HaNProt'COO”) при этом не разруша­ ется, а операции по отщеплению следующей аминокислоты можно повторять. Эти реакции лежат в основе работы автоматического анализатора первичной структуры белков. Обычно анализируемый белок вначале подвергают частичному гидролизу с получением нескольких пептидов. Полученные пептиды разделяют, очищают, и в каждом определяется последовательность аминокислот, а затем составляется первичная структура анализируемого белка.

Окислительно-восстановительные свойства. Белки относи­ тельно устойчивы к мягкому окислению, за исключением со­ держащих аминокислоту цистеин, так как тиольная группа по­ следней легко окисляется в дисульфидную группу, причем про­ цесс может носить обратимый характер:

В результате этих превращений происходит изменение кон­ формации белка и его нативных свойств. Поэтому серосодержа­ щие белки чувствительны к свободнорадикальному окислению или восстановлению, что происходит при воздействии на организм радиации или токсичных форм кислорода (разд. 9.3.9).

Тиол-дисульфидные превращения белка кератина лежат в основе химической завивки волос, так как цистеин и цистин входят в его состав. Сначала волосы обрабатывают восстанови­ телем, чтобы разрушить связи —S—S— цистина и превратить в тиольные группы цистеина. Затем волосы укладывают в локо­ ны (завивают) и обрабатывают окислителем. При этом образу­ ются дисульфидные связи цистина, которые помогают волосам сохранить их новую форму.

566

При более жестком окислении тиольная группа белков окис­ ляется в сульфогруппу практически необратимо:

Жесткое окисление белков до СО2 , Н2 О и аммонийных солей используется организмом для устранения ненужных белков и по­ полнения своих энергетических ресурсов (16,5 - 17,2 кДж/г).

В организме белки, содержащие остатки лизина, пролина, фе­ нилаланина и триптофана, подвергаются ферментативному гидроксилированию (монооксигеназное окисление) при участии ки­ слорода и восстановленной формы кофермента:

В результате реакции гидроксилирования усиливаются гид­ рофильные свойства белка и его способность к образованию водо­ родных связей. Это имеет место у тропоколлагена, у которого три цепи объединяются в устойчивую суперспираль за счет водород­ ных связей, в образовании которых участвуют и гидроксипролиновые остатки.

Лизинсодержащие белки способны к ферментативному окис­ лительному дезаминированию. В результате в заместителе вместо

567

Глава 22

УГЛЕВОДЫ И ПОЛИСАХАРИДЫ

После изучения этой главы выдолжны знать:

-строение, различные виды изомерии (структурную, кольчато­ цепную таутомерию, конформационную, оптическую) моносахари­ дов и их производных;

-кислотно-основные, комплексообразующие, электрофильнонуклеофильные и окислительно-восстановительные свойства моно­ сахаридов и их производных;

Углеводы - полифункциональные соединения, широко рас­ пространенные в животном и растительном мире; они выполняют исключительную роль во многих жизненных процессах. Углево­ ды составляют 80 % от сухой массы растений и 2 % от сухой массы животных организмов. Свое название углеводы получили

потому, что их состав часто выражается формулой Сх(Н.2®)у> т- е- формально они состоят из углерода и воды. Однако не все угле­ воды соответствуют этой формуле.

В растениях углеводы образуются из оксида углерода(1У) и воды в процессе фотосинтеза, осуществляемого с участием хло­ рофилла за счет солнечной энергии (разд. 9.3.7):

хС02 + уК20 хдо,^ ил»> С,(Н20 ), + *0 2

569

Животные организмы не способны синтезировать углеводы, а получают их с пищей растительного происхождения и исполь­ зуют в значительной степени для выработки энергии для жиз­ недеятельности путем окисления:

Сх(Н20)у + *02 — хС02+ i/H20 + энергия

Углеводы обычно подразделяют по способности к гидролизу на моносахариды, дисахариды и полисахариды. Моносахариды не гидролизуются, а ди- и полисахариды, способные к гидролизу, можно рассматривать как продукты ди- и поликонденсации мо­ носахаридов.

2 2 .1 . СТРОЕНИЕ, ИЗОМЕРИЯ И СВОЙ СТВА М ОНОСАХАРИДОВ

Моносахариды - твердые вещества, легко растворимые в во­ де, их растворы имеют нейтральную среду. Большинство моноса­ харидов обладает сладким вкусом. По числу углеродных атомов в молекуле моносахариды (монозы) подразделяются на тетрозы (С4), пентозы (С5 ), гексозы (Cg) и т. д. Окончание -оза указыва­ ет на принадлежность вещества к классу углеводов. Моносахари­ ды являются гетерофункциональными соединениями: они содер­ жат несколько гидроксильных групп и карбонильную группу, поэтому для них характерны разнообразные виды изомерии.

Структурная изомерия (изомерия характера функциональной группы) моносахаридов заключается в том, что их карбонильная группа может входить в альдегидную, кетогруппу или участво­ вать в образовании циклических таутомеров. Цепные таутомеры моносахаридов являются или полигидроксиальдегидами (альдозами), или полигидроксикетонами ( кетозами).

Особенности таутомерии моносахаридов будут рассмотрены после знакомства с их пространственной изомерией.

Пространственные изомеры моносахаридов, называемые диастереомерами, различаются взаимным расположением гид-

570