Цвиттер-ион

рК₃ = 9,81

^-ООС-СН₂-СН-СОО^{- -}ООС-СН₂-СН-СОО^-

 

NН₃⁺ (-1) NН₂ (-2)

Группы R аминокислот цистеина и тирозина, хотя и не столь кислые, как у асп и глу, также могут существовать в ионизированном виде.

Лизин, аргинин и гистидин называют основными аминокислотами. При рН 7 боковые радикалы этих аминокислот будут вносить дополнительный положительный заряд в общий заряд молекулы аминокислоты.

Ионизация основной аминокислоты, например лизина:

рК₁ = 2,2 рК₂ = 9,0

Н₃⁺N-(СН₂)₄-СН-СООН Н₃⁺N-(СН₂)₄-СН-СОО^-

 

NН₃⁺ (+2) NН₃⁺ (+1)

рК_R = 10,5

Н₃⁺N-(СН₂)₄-СН-СОО^- Н₂N-(СН₂)₄-СН-СОО^-

 

NН₂ (0) NН₂ (-1)

Цвиттер-ион

Основными константами, характеризующими кислотно – основные свойства аминокислот, являются рК и рI, где

 рК – отрицательные логарифмы константы диссоциации карбоксильной (рК₁), аминной (рК₂), радикальной (рК_R) групп (см. приложение А).

 рI – изоэлектрическая точка, т.е. значение рН, при котором противоположные заряды ионогенных групп в аминокислоте скомпенсированы.

Для бинарной аминокислоты (имеющий одну группу NН₂ и одну группу – СООН) рI равно полусумме рК₁ и рК₂:

рК₁ + рК₂

РI = , (1)

2

где рI - изоэлектрическая точка;

рК₁ - отрицательные логарифмы константы диссоциации карбоксиль- ной группы;

рК₂ - отрицательные логарифмы константы диссоциации аминной группы.

Для аланина (нейтральная аминокислота):

2,34 + 9,69

рI = = 6,02.

2

Чтобы найти изоэлектрическую точку (рI) трифункциональной аминокислоты, надо вычислить среднее арифметическое двух последовательных значений рК, присущих стадиям ионизации по обе стороны изоэлектрического состояния.

Для аспарагиновой кислоты (кислая аминокислота):

рК₁+ рК_R 2,09 + 3,86

рI= = = 2,98.

2 2

Для лизина (основная кислота):

рК₂+ рК_R 8,95 + 10,53

рI= = = 9,74.

2. 2

При значении рН, смещенных в кислую область относительно рI, суммарный заряд аминокислоты положителен, а смещенный в щелочную область, суммарный заряд отрицателен.

Аминокислоты соединяются друг с другом ковалентной - пептидной связью. Образование ее происходит за счет карбоксильной группы (-СООН) одной аминокислоты и аминогруппы (-NН₂) другой с выделением молекулы воды.

О О О О

   

CН₃ –СН-С + СН₃ – СН – С  СН₃ –СН –С –N –CН – С.

 \  \    \

NН₂ ОН Н-N-Н ОН NН₂ Н СН₃ ОН

пептидная связь

аланин аланин аланилаланин

Белки – это регулярно построенные сополимеры, состоящие из аминокислотных остатков, чередующихся в порядке, определяемом “биологическим кодом” и соединенных друг с другом пептидной связью. Полимерные цепи, содержащие до 50 аминокислотных остатков, называют полипептидами.

Для описания строения белковых молекул были введены понятия о первичной, вторичной, третичной и четвертичной структурах. Первичная структура определяется: 1) природой входящих в молекулу аминокислот; 2) относительным количеством каждой аминокислоты; 3) строгой аминокислотной последовательностью. Если имеются простетические группы, их состав и количество также включаются в первичную структуру.

Первичная структура белков уникальна и детерминирована генетически. Каждый индивидуальный белок характеризуется уникальной последовательностью аминокислот: частота замены аминокислот приводит не только к структурным перестройкам, но и к изменениям физико–химических свойств и биологических функций.

В первичной структуре полипептидной цепи детерминированы вторичная, третичная и четвертичная структуры белковой молекулы, определяющие ее общую пространственную конформацию.

Под вторичной структурой белка подразумевают конфигурацию полипептидной цепи, т.е. способ свертывания, скручивания полипептидной цепи. Процесс этот протекает не хаотично, а в соответствии с программой, заложенной в первичной структуре. Движущей силой в возникновении вторичной структуры является способность аминокислот к образованию водородных связей. Различают 3 основных типа вторичной структуры полипептидных цепей:  - спираль, - структура и беспорядочный клубок. Стабилизация вторичной структуры достигается за счет водородных связей между группами  NН и СО – пептидных связей.

 - спираль характеризуется максимальным насыщением водородных связей между пептидными группами и направлением этих связей вдоль оси спирали. Боковые радикалы аминокислот направлены наружу и находятся вне спирали. Дополнительным фактором стабильности вторичной структуры являются дисульфидные связи.

 - конформация представляет две или более линейные полипептидные цепи, расположенные параллельно или антипараллельно, прочно связываются межцепочечными водородными связями между NН и СО – группами соседних цепей, образуя структуру типа складчатого слоя. Остов цепи не лежит в одной плоскости: вследствие изгибов при С - атомах “слой” белкового субстрата оказывается слегка волнистым. Боковые радикалы аминокислот располагаются перпендикулярно плоскости слоя.

Статистический клубок не обладает строгой трехмерной структурой или формой, т.к. она постоянно изменяется в определенных пределах в результате микро – броуновского движения. Стабилизируется так же водородными связями.

Под третичной структурой белка подразумевают пространственную ориентацию полипептидной цепи с ее  - спиралями,  - структурами и “беспорядочным клубком” в определенном объеме. Основной движущей силой в возникновении трехмерной структуры является взаимодействие радикалов аминокислот с молекулами воды. При этом неполярные гидрофобные радикалы аминокислот как бы погружаются внутрь белковой молекулы, образуя там сухие зоны, в то время как полярные радикалы оказываются ориентированными в сторону воды. В какой – то момент возникает термодинамически наиболее выгодная стабильная конформация молекулы белка с минимальной свободной энергией.

Третичная структура зависит от всей суммы взаимодействий ковалентных и нековалентных в белковой глобуле и стабилизируется главным образом системой нековалентных связей, таких как: водородные связи, электростатические контакты, гидрофобные взаимодействия и возникающие на этой основе ван-дер-ваальсовые связи между углеводородными структурами; некоторые белки дополнительно стабилизируются дисульфидными связями.

Четвертичной структурой называют размещение в пространстве взаимодействующих между собой субъединиц, со своей первичной, вторичной и третичной структурами, образованных отдельными полипептидными цепями белка. В формировании четвертичной структуры участвуют глобулы, образованные каждой из цепей в отдельности. Таким образом, понятие четвертичной структуры относится к ансамблю глобул. Взаимодействие между последними достаточно сильно, так что ансамбль выступает как единая молекула. При этом каждая из объединившихся глобул – субъединиц сохраняет автономию. Данный уровень в организации белковой молекулы не является обязательным – до половины известных белков его не имеют.

Белки, имеющие четвертичную структуру, могут быть как гетеромерными, так и гомомерными. В первом случае субъединицы совершенно различны, как по строению, так и по функциям, во втором – субъединицы одинаковы. Подавляющая часть белков, имеющих четвертичную структуру, приходится на димеры, тетрамеры и гексамеры.

Как и в случае третичной структуры, четвертичная стабилизируется водородными, гидрофобными контактными поверхностями и электростатическими взаимодействиями, возникающими между контактными поверхностями субъединиц. В результате формируется кооперативная система нековалентных взаимодействий в молекуле белка. Стабильность этой системы зависит от внешних условий и даже от небольших изменений в пространстве в структуре каждой из взаимодействующих субъединиц. Это молекулярная основа способности четвертичной структуры передавать структурные перестройки от одной субъединицы на другие. При взаимодействии факторов, нарушающих отмеченные связи, четвертичная структура обычно утрачивается первой (по сравнению с третичной), диссоциируя на сохранившие нативность субъединицы. Чаще всего отдельные субъединицы не обладают биологической активностью. Эту способность белок приобретает после соединения протомеров с образованием олигомерного белка.

Четвертичной структуре принадлежит большая роль в регуляции биологической активности белков, т.к. она очень чувствительна к внешним условиям, небольшие их отклонения могут вызвать изменение взаиморасположения субъединиц и в связи с этим изменение биологической активности белка. Это явление представляет собой один из основных механизмов регуляции метаболизма, поскольку многие ферменты и некоторые другие метаболически активные белки имеют четвертичную структуру.