Биоорганическая химия. Учебное пособие

O–H

|

tH2N–CH–C–N–CH–COOH

4. Реакции по радикалу — реакции с аминокислотами, содер жащими бензольное кольцо (реакции замещения по бензольному кольцу).

Существует ряд цветных реакций для обнаружения аминокис лот, основанных на химической природе радикалов аминокислот (реакция для обнаружения тирозина — реакция Миллона, фенил аланина и тирозина — ксантопротеиновая реакция, триптофа на — реакции Гопкинса–Коула и Эрлиха, аргинина — реакция Сакагучи, цистеина — реакция Салливена и нитропруссидная реак ция).

Стереохимия аминокислот

Аминокислоты являются оптически активными веществами. Растворы аминокислот в воде или соляной кислоте обладают спо собностью вращать плоскость поляризованного луча света. Это связано с наличием в молекуле аминокислот в α положении ато ма углерода, все 4 валентные связи которого заняты различными за местителями (за исключением глицина). Величины удельного вра щения вправо или влево для большинства аминокислот составляют 10–30o. Все аминокислоты, образующиеся при гидролизе природ ных белков, принадлежат к L ряду.

41

Тема 3. Белки

5. ФизикоJхимические свойства белков. Понятие структурной организации белков. Характерными физическими свойствами бел ков являются высокая вязкость растворов, ограниченная способ ность к диффузии, способность к значительному набуханию, опти ческая активность, подвижность в электрическом поле. Белки обладают большой гидрофильностью, чем обусловлено высокое он котическое давление белков. Растворы белков имеют низкое осмо тическое давление. Белки способны к поглощению ультрафилето вого излучения с длиной волны менее 280 нм. Белковые молекулы обладают большой молекулярной массой (6000–1 000 000) и не способны проникать через полупроницаемые искусственные мембраны и биомембраны здоровых живых организмов.

Форма белковых молекул

В природе существует 2 вида белковых молекул: нитевидные (фибриллярные) и шарообразные (глобулярные). Физико химиче ские и биологические свойства белков в свободном или связан ном состоянии определяются их пространственной структурой.

Денатурация белков — нарушение общего плана строения бел ковой молекулы, приводящее к потере характерных для нее свойств под влиянием различных физических и химических факторов. Внеш не денатурация проявляется потерей растворимости, повышением вязкости, резким снижением биологической активности белка.

Ренатурация белка (обратный процесс с полным восстановле нием структуры и функции молекулы белка) возможна при не продолжительном действии денатурирующего агента. Денатура ция необратима при нарушении первичной структуры белка.

Изоэлектрическая и изоионная точки белков

Значение pH раствора, при котором суммарный заряд белко вых молекул равен нулю, — это изоэлектрическая точка белка (pI). Она определяется аминокислотным составом белка. В изоэлек трической точке белки наименее устойчивы в растворе, легко осаждаются. Изоионный раствор белка — раствор, содержащий только ионизированные остатки аминокислот и ионы, образую

42

Тема 3. Белки

щиеся при диссоциации воды. Изоионной точкой белка назы вается значение pH изоионного раствора этого белка.

Понятие о структурной организации белка

Белки представляют собой сложные полипептиды, аминоки слоты в которых связаны пептидными связями, образующимися при взаимодействии α карбоксильных и α аминогрупп амино кислот:

CH3–CH–COOH + H2N–CH2–COOH

|

NH2 Глицин –H2O Аланин

CH3–CH–CO–NH–CH2

Аланилглицин (дипептид)

К дипептиду могут присоединяться другие аминокислоты, об разуя три , тетра , пентапептид и т. д. вплоть до образования круп ного полипептида. Последовательность расположения аминоки слот в полипептиде представляет собой первичную структуру белка. Всего существует 4 уровня структурной организации бел ка — первичная, вторичная, третичная и четвертичная структуры. Структура большинства белков состоит из трех уровней.

6. Первичная и вторичная структуры белка. Первичная структуJ ра белка — последовательность расположения аминокислотных остатков в полипептиде. Некоторые белки представлены не од ной, а несколькими полипептидными цепями, связанными меж ду собой дисульфидными связями:

S S

43

Тема 3. Белки

Для определения первичной структуры белка с помощью гид ролиза выясняют количественное соотношение аминокислот в мо лекуле белка. Затем определяют химическую природу концевых аминокислот полипептидной цепи, которая содержит по одной свободной NH2— и COOH группе. Для определения N концевой аминокислоты используются метод Сэнджера и фенилгидантои новый метод, для определения С концевой аминокислоты — ме тод Акабори.

Первичная структура белка характеризуется рядом особенноJ стей.

1.Она генетически детерминирована и уникальна, замена аминокислот внутри полипептидной цепи приводит к изменению структуры и функции белка.

2.Она стабильна, что обеспечивается дипептидными и в мень шей степени дисульфидными связями.

3.Число комбинаций аминокислот в полипептиде очень ве лико, повторяющиеся последовательности аминокислот редки. Идентичные последовательности аминокислот могут встречаться

вобласти активных центров ферментов.

4.Первичная структура белка детерминирует вторичную, тре тичную и четвертичную структуры белковой молекулы.

Вторичная структура белка — конфигурация полипептидной цепи, более компактная ее упаковка в спиральную или какую ли бо другую конформацию. Процесс конфигурации идет в соответ ствии с программой, заложенной в первичной структуре белка.

Существуют две основных конфигурации полипептидной цепи: α спираль и β сладчатый слой.

Действующим началом образования α и β структур является способность аминокислот образовывать водородные связи. Ста бильность вторичной структуры обеспечивается в основном во дородными и в меньшей степени — пептидными и дисульфидны ми связями.

Водородная связь — слабое электростатическое взаимодей ствие между электроотрицательным атомом (O или N) и атомом водорода, ковалентно связанным с другим электроотрицательным атомом. Основные типы водородных связей:

44

/\

Структуре α спирали присущ ряд закономерностей. На каждый шаг спирали приходится 3,6 аминокислотных остатка, шаг спирали равен 0,54 нм на виток и 0,15 нм — на 1 аминокислотный остаток. Угол подъема спирали 26o, через каждые пять витков повторяется структурная конформация полипептида.

При образовании β структуры две или более линейных поли пептидных цепи, расположенные параллельно либо антипарал лельно, связываются между собой водородными и пептидными связями.

Вприроде встречаются белки, вторичная структура которых не является ни α , ни β структурой (например, коллаген).

Внастоящее время доказано существование двух промежуточ ных уровней организации белковой молекулы между вторичной

итретичной структурами — надвторичные структуры и структурные домены.

45

Тема 3. Белки

7. Третичная и четвертичная структуры белка. Третичная струк тура белка — это пространственная ориентация полипептидной спирали, следующий за вторичной структурой способ компактиза ции белковой молекулы. Процесс укладки полипептидной цепи —

фолдинг.

Пространственная структура белков зависит от ионной силы

иpH раствора, температуры и иных факторов. В стабилизации пространственной структуры белков наряду с ковалентными свя зями (пептидными и дисульфидными) принимают участие так на зываемые нековалентные связи, к которым относятся водородные связи, электростатические взаимодействия заряженных групп, ван дерваальсовы силы, взаимодействия неполярных боковых ради калов аминокислот, гидрофильно гидрофобные взаимодействия

идр. При этом нековалентные связи играют основную роль. Третичная структура белка формируется самопроизвольно и

полностью детерминируется первичной структурой белка. Основ ным движущим моментом в возникновении трехмерной структу ры является взаимодействие радикалов аминокислот с молекулами воды, состоящее в том, что гидрофобные радикалы аминокислот ориентируются внутрь молекулы белка, в то время как гидрофиль ные ра дикалы ориентируются наружу.

В результате образуется термодинамически наиболее выгодная конформация молекулы белка, характеризующаяся наименьшей свободной энергией. Конформации белков стабильны, основные формы конформаций — T форма (tensed — напряженная) и R фор ма (relaxed — расслабленная).

Третичная структура содержит функциональную информа цию, определяющую все биологические свойства белков. Наруше ние третичной структуры белка влечет за собой потерю его биоло гических свойств.

Четвертичная структура белка — пространственная ориента ция нескольких полипептидных цепей, обладающих собственной первичной, вторичной или третичной структурой, с образованием макромолекулярной формы.

Отдельные полипептидные цепи — протомеры (мономеры, субъединицы) — не обладают биологической активностью и при обретают ее при определенном способе пространственного объе

46

Тема 3. Белки

динения. Образовавшаяся молекула является олигомером (мульт имером). Четвертичная структура стабилизируется за счет неко валентных связей между контактными площадками протомеров, комплементарных друг другу.

Четвертичная структура обнаружена у нескольких сотен бел ков. Молекула гемоглобина представляет собой тетрамер — состо ит из двух α и двух β цепей. Фермент фосфорилаза состоит из двух идентичных субъединиц по две пептидные цепи.

Фермент лактат дегидрогеназа содержит два типа полипеп тидных цепей — M (muscle — мышца) и B (brain — мозг) — и может существовать в пяти формах, называемых изоферментами или мно жественными формами ферментов.

8. Альбумин, его роль в организме человека. Альбумин — важ нейший белок плазмы крови; он составляет 50% всех белков крови,

впечени в сутки синтезируется 10–15 г альбумина. Всего в крове носном русле циркулирует 120–140 г альбумина, во внеклеточном пространстве у взрослого человека в норме содержится 360 г альбу мина. Концентрация в плазме — 35–50 г/л, в лимфе — 15–36 г/л,

вмежклеточной жидкости — 3 г/л, в ликворе — 0,3 г/л. 20–25 г альбумина эквивалентны 400—500 мл плазмы.

Молекулярная масса альбумина — 66 400Д. Детоксикационная функция. Альбумин состоит из единственной

цепи 585 аминокислот, многие из которых имеют гидрофобную це почку, они группируются друг с другом, образуя гидрофобные клас теры, поэтому гидрофобные лиганды способны связываться с аль бумином (метаболиты — жирные кислоты, желчные пигменты, окись азота, холестерин, металлы, очень многие лекарственные препа раты).

Кроме детоксицирующей функции, сывороточный альбумин выполняет ряд других функций, сопряженных с ней.

Внорме молекулы альбумина обеспечивают 80–85% онкоти ческого давления плазмы, что считается низкой проницаемостью для альбумина стенок капилляров, которые содержат большое коли чество заряженных групп, удерживающих воду. При критических

47

Тема 3. Белки

состояниях способность удерживать воду аьбумином меняется, при чем особенно проявляется водоудерживающая активность глобу линов и гемоглобина, количество которого чаще всего превышает содержание плазменных белков в той же крови.

Альбумин — участник окислительно восстановительных реак ций. Антирадикальная защита альбумина обеспечивается связы ванием металлов переменной валентности, в результате чего их радикалообразующая активность значительно уменьшается. Ами ногруппы альбумина также способны вступать в реакции с ради калами.

Пластическая функция альбумина. Образованные в результате катаболизма альбумина аминокислоты используются клетками в ка честве пластического и энергетического субстратов.

Регуляция гемостаза. Альбумин имеет гепариноподобное дей ствие, которое зависит от воздействия альбумина на агрегацию тромбоцитов и возможно — от специфического сродства альбу мина к арахидоновой кислоте; он способен усилить подавление активности фактора Ха через антитромбин III.

Участие в поддержании ионного равновесия в крови, регуляция апоптоза: альбумин способен ингибировать апоптоз клеток.

Влияние на проницаемость эндотелия и микроциркуляцию.

Предполагается, что альбумин связывается в субэндотелии и ин терстициальном матриксе и изменяет их проницаемость для дру гих молекул.

Наиболее распространено применение препаратов альбуми на как плазмозамещающего раствора для пополнения потерь белка и предотвращения и лечения нарушений циркуляции, поддержа ния коллоидно осмотического давления плазмы. Целесообразна инфузия альбумина при величине КОД ниже 12 мм рт. ст., при альбуминемии менее 20 г/л и протеинемии менее 35 г/л.

Если при кровопотере происходит снижение коллоидно ос мотического давления ниже 15 мм рт. ст., то создается высокая ве роятность развития отека легких. Уровень общего белка в плазме ниже 50 г/л или альбумина ниже 25 г/л считается критическим, при уровне альбумина менее 20 г/л летальность составляет 100%.

48

Тема 4. Особенности белкового обмена

Развитие интерстициального отека легких при критических состояниях зависит от повышенной проницаемости сосудистой мембраны и изменения состояния циркулирующего белка.

Общеизвестно, что интерстициальное перемещение жидкости происходит в соответствии с законом, сформулированным Е. Х. Стар лингом:

Q = K(Pc – Pi) – r (pc – pi),

где Q — транссосудистый ток жидкости;

К — коэффициент фильтрации — количество фильтрата, про ходящего через 100 г ткани в 1 мин при увеличении давления на 1 мм рт. ст., зависит от площади поверхности мембраны, участвующей в обмене жидкости; Рс — гидростатическое давление в капиллярах (в легких — 12 мм рт. ст.);

r — коэффициент отражения — описывает проницаемость мембран, характеризует, насколько эффективно стенка ка пилляра может противостоять току через нее белков; если он равен 1, белки плазмы не проникают в интерстиций, если приближается к 0, то капиллярная мембрана полностью утра чивает свою способность противостоять току через нее белка; Рi — гидростатическое давление в интерстициальном про странстве; Рс — онкотическое давление плазмы.

ОСОБЕННОСТИ БЕЛКОВОГО ОБМЕНА, Тема 4. ПЕРЕВАРИВАНИЕ БЕЛКОВ

1. Особенности белкового обмена. Существуют некоторые осо бенности белкового обмена:

1)осуществление пластической функции — белки опреде ляют микро— и макроструктуру отдельных субклеточных образо ваний, специфику клеток, органов и целостного организма;

2)способность определять динамическое состояние между организмом и окружающей средой;

49

Тема 4. Особенности белкового обмена

3)строгая специфичность;

4)обеспечение каталитической функции;

5)обеспечение энергетической функции;

6)разветвленность белкового обмена;

7)интегрированность белкового обмена с обменом углеводов, липидов, нуклеиновых кислот через аминокислоты или α кетокис

лоты.

Факторы, определяющие состояние белкового обмена:

1)физиологическое состояние организма;

2)деятельность ЦНС;

3)синтез белка (осуществляется по закону «все или ничего» при условии наличия в клетке всех 20 аминокислот);

4)обмен белков (регулируется гормонами, определяющими направление синтеза или распада и интенсивность белкового об мена).

Принято считать, что для правильной оценки состояния об мена белков достаточно определения азотистого баланса — коли чественной разницы между введением с пищей азота и выведением его в виде конечных продуктов азотистого обмена. Различают по ложительный и отрицательный баланс, азотистое равновесие. При положительном азотистом балансе количество выводимого из организма меньше количества азота, вводимого с пищей, часть азота остается в организме и расходуется главным образом для биосинтеза высокомолекулярных белковых веществ, синтетиче ские процессы преобладают над процессами распада белков. При от рицательном азотистом балансе количество выделяемого азота превышает количество поступившего азота.

Состояние белкового обмена целостного организма зависит не только от количества принимаемого с пищей белка, но и от качест венного его состава. Чем ближе аминокислотный состав принимае мого пищевого белка к аминокислотному составу белков тела, тем выше его биологическая ценность. Степень усвоения пищевого белка зависит также от эффективности его распада под влиянием ферментов ЖКТ. В организме человека синтезируется (из продук тов обмена углеводов и липидов) только 10 из 20 необходимых амино

50