Звягина Учебное пособие

10.Транспортная – перенос О2, стероидов, витаминов, лекарственных веществ и т.д. осуществляют различные фракции белков крови.

11.Опорная или механическая – прочность соединительной, хрящевой и костной ткани осуществляется за счет белков – коллагена, эластина.

12.Гемостатическая – свертывание крови связано с наличием в крови белков свертывания крови.

Аминокислоты – структурные мономеры белков. Классифика-

ция и физико-химические свойства аминокислот. Аминокислоты, пептиды и белки как фармакопрепараты.

Мономерами белков служат α-аминокислоты L-ряда, общим признаком которых является наличие карбоксильной группы и аминогруппы у второго углеродного атома. В образовании белков участвуют 20 аминокислот, их называют протеиногенными аминокислотами.

R l

H2N-CH-COOH

α

Существует 3 классификации аминокислот:

I.Структурная, т.е. по строению бокового радикала, от этого зависят физико-химические свойства аминокислот. Все аминокислота делят на:

1.АЦИКЛИЧЕСКИЕ а)алифатические незамещенные (валин, лейцин, изолейцин, глицин)

б)алифатические замещенные -гидроксиаминокислоты (серин, треонин) -тиоаминокислоты (цистеин, метионин)

-карбоксиаминокислоты (аспарагиновая, глутаминовая, аминолимонная)

-диаминокислоты (лизин) -гуанидиноаминокислоты (аргинин)

2.ЦИКЛИЧЕСКИЕ а)Ароматические (фенилаланин. тирозин)

б)Гетероциклические (триптофан, гистидин) в)Циклические иминокислоты (пролин)

II.Электрохимическая, т.е. по основным свойствам аминокислот.

11

Различают:

1.Кислые аминокислоты (аспарагиновая, глутаминовая, аминолимонная)

2.Основные аминокислоты (гистидин, аргинин, лизин) 3.Нейтральные аминокислоты

Изоэлектрическая точка - это значение pH раствора, при котором молекула аминокислоты имеет нейтральный заряд. Кислые аминокислоты (глутаминовая кислота, аспарагиновая кислота) имеют отрицательный заряд и изоэлектрическую точку меньше 7, основные аминокислоты (лизин, гистидин, аргинин) несут положительный заряд и имеют изоэлектрическую точку больше 7. Изоэлектрическая точка нейтральных аминокислот приближается к нейтральному заряду.

III.Биологическая или физиологическая, т.е. по степени незаменимости аминокислоты для организма

1.Незаменимые аминокислоты не могут синтезироваться организмом и должны обязательно поступать в организм с пищей. Таких аминокислот для человека 8: валин, лейцин, изолейцин, триптофан, лизин, треонин, фенилаланин, метонин.

2.Полузаменимые аминокислоты могут синтезироваться в организме, но в недостаточном количестве. Таких аминокислот 3: гистидин, аргинин, тирозин.

3.Заменимые аминокислоты синтезируются в организме в достаточном количестве.

В медицинской практике применяются: 1.Отдельные аминокислоты

-глутаминовая кислота, используется при заболеваниях центральной нервной системы; -глицин является нейромедиатором тормозного типа дей-

ствия. Улучшает метаболические процессы в тканях мозга; -метионин, как донор метильных групп, используется в медицине в качестве липотропных средств; -цистеин применяется в глазной практике.

2.Смесь отдельных аминокислот -церебролизин содержит 18 аминокислот. Применяется при

заболеваниях центральной нервной системы, при травмах головного мозга

3.Полный набор аминокислот в виде белковых гидролизатов. Используется, как белковое питание.

12

Первичная структура белков. Видовая специфичность белков. Наследственные изменения первичной структуры.

Существуют 4 уровня организации белковой молекулы: первичная, вторичная, третичная, четвертичная. Аминокислотные остатки в пептидной цепи расположены в строго определённом порядке. Карбоксильная группа одной аминокислоты и аминогруппа другой образуют связь, которая называется пептидной. Эта связь является прочной ковалентной связью, разрушить ее можно только с помощью специальных (протеолитических) ферментов. Для пептидной связи характерны следующие свойства:

1.копланарность – все атомы, входящие в пептидную группу, находятся в одной плоскости.

2.способность существовать в двух резонансных формах (кетоили енольной) форме.

3.транс-положение атомов кислорода и водорода относительно С-N связи.

4.способность к образованию водородных связей, причем каждая из пептидных групп может образовывать две водородные связи, за исключением пептидных групп, образованных про-

лином и гидроксипролином.

Линейная последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи, связанных между собой пептидными связями называется первичной структурой. Это простейший уровень организации белковой молекулы. Кроме понятия «белок», в химии встречается термины «пептид». Пептидом обычно называют олигомер, состоящий не более чем из 10 аминокислот.

Правила написания пептидов: название начинается всегда с аминокислот на N-конце пептида. Окончание всех аминокислот изменяется на -ил, последняя аминокислота окончания не изменяет.

13

Например, тетрапептид, состоящий из валина, аспарагиновой кислоты, лизина и серина будет называться валиласпартиллизилсерин.

При генетических нарушениях в организме возможен синтез белков с измененной структурой. Примером может служить серповидноклеточная анемия, при которой в β-цепях гемоглобина в 6-м положение глутаминовая кислота замещена на валин, что приводит к нарушению функции гемоглобина и развитию тяжелого заболевания.

Вторичная структура белка, ее основные типы: α-спираль и β- структура. Третичная структура белка, характеристика связей, стабилизирующих ее.

Вторичная структура белка – это способ укладки полипептидной цепи в более компактную структуру благодаря образованию водородных связей между пептидными группами одной цепи или различными полипептидными цепями. По строению вторичные структуры делят на спиральные (α – спираль) и слоисто-складчатые (β – структуры). В α – спирали NН2-группа аминокислотного остатка участвует в образовании водородной связи с СО-группой четвертого от него остатка. В результате пептидный остов образует спираль, на каждый виток которой приходится 3,6 аминокислотного остатка. Водородные связи ориентированы вдоль оси спирали, соединяя ее витки.

В β – структуре полипептидные цепи располагаются параллельно (N-концы направлены в одну сторону) или антипараллельно (N- концы направлены в противоположные стороны). β - складчатый слой может быть образован двумя цепями или большим количеством полипептидных цепей. Ограниченные слоистые участки, образуемые одной полипептидной цепью белка, называются кросс- β формой или β-петлей.

14

Рисунок 1. Вторичная структура белка

Повторяющиеся, более сложные комбинации, образованные из трех фрагментов регулярной структуры, иногда называют супервторичной структурой (известны формы супервторичной структуры в виде β-бочонка, «цинкового пальца», «лейциновой застежки-молнии» и другие формы).

Третичная структура белков – трехмерная пространственная структура, образующаяся за счет взаимодействия между боковыми радикалами аминокислот, которые могут располагаться на значительном расстоянии друг от друга в полипептидной цепи. Связи, участвующие в стабилизации третичной структуры можно разделить на сильные (ковалентные) и слабые. К ковалентным связям относятся:

дисульфидные связи – образуются между боковыми радикалами серосодержащих аминокислот, например, между 2 остатками цистеинов

изопептидные (псевдопептидные) – между аминогруппами боковых радикалов лизина, аргинина и СООН-группами боковых радикалов аспарагиновой, глутаминовой и аминолимонной кислот.

эфирные – между СООН-группой дикарбоновых (аспарагиной, глутаминовой) и ОН-группой гидроксиаминокислот (серина,

треонина).

Кполярным (слабым) относятся:

водородные связи, которые возникают между гидрофильными незаряженными группами (такими как –ОН, -СОNH2, -SH);

ионные связи образуются между разнозаряженными группами боковых радикалов – NH3+(лизина, аргинина, гистидина)

15

 и СОО-(аспарагиновой и глутаминовой кислот).

В стабилизации третичной структуры принимают участие неполярные (слабые) ван-дер- ваальсовы связи, которые образуются между

гидрофобными радикалами аминокислот.

В некоторых случаях, при большом содержании аминокислотных остатков (более 200), в трехмерной структуре обнаруживаются несколько независимых компактных областей одной полипептидной цепи. Эти фрагменты полипептидной цепи, сходные по свойствам с самостоятельными глобулярными белками, называются модулями или доменами. Например, в дегидрогеназах два домена, один связывает НАД+ и этот домен сходен по строению у всех НАД-зависимых дегидрогеназ, а другой домен связывает субстрат и отличается по структуре у разных дегидрогеназ.

Четвертичная структура белка.

Многие белки построены из двух или более полипептидных цепей (субъединиц), соединенных нековалентными (водородными, ионными, ван-дер- ваальсовами) связями. Каждая из субъединиц имеет третичную структуру. Таким образом, объединение нескольких полипептидных цепей с третичной структурой в единую функциональную молекулу белка называется четвертичной структурой белка. Примером может служить молекула гемоглобина, состоящая из 4-х субъединиц.

Рисунок 2. Пространственная структура белка

Физико-химические свойства белков: амфотерность, коллоидно - осмотические свойства, гидратация. Высаливание. Денатурация. Свойства денатурированных белков. Ренатурация.

Аминокислотный состав и пространственная организация каждого

16

белка определяет его физико-химические свойства. Белки обладают кислотно-основными, буферными, коллоидными и осмотическими свойствами.

Белки являются амфотерными соединениями, т.е. сочетают в себе кислотные и основные свойства. Кислотные свойства белку придают аминокислоты, имеющие дополнительные –СООН группы в своем составе (аспарагиновая, глутаминовая, аминолимонная). Основные свойства – аминокислоты, имеющие функциональные группы с щелочными свойствами (аргинин, лизин, гистидин). Чем больше кислых аминокислот содержится в белке, тем сильнее выражены его кислотные свойства. Чем больше входит в состав основных аминокислот, тем ярче выражены основные свойства.

Белок обладает буферными свойствами в интервале значений рН, близких к физиологическим.

Высокая молекулярная масса белков придает их растворам свойства коллоидных систем:

1.характерные оптические свойства (опалесценция растворов, т.е при боковом освещении раствора белка лучи света в нем становятся видимыми и образуют светящийся конус);

2.малая скорость диффузии (диффузией называется перемещение молекул вещества внутри раствора в соответствии с градиентом концентрации);

3.неспособность проникать через полупроницаемые мембраны (белки не проходят через клеточные мембраны и притягивают к себе воду, которая способна проникать через мембрану как низкомолекулярное вещество). Этот процесс называется диа-

лизом, а сила притяжения – «осмотическим давлением». Чем больше белок связывает молекул воды, тем больше у него осмотическое давление. Осмотическое давление, обусловленное белками называется онкотическим давлением и равно 0,02- 0,04 атм. или 30 мм рт. ст.);

4.высокая вязкость растворов;

5.способность к образованию гелей.

Гидратация белков – это связывание молекул воды с белком. Молекулы воды, являясь диполем, электростатически взаимодействуют с полярными (имеющими заряд) боковыми аминокислотными радикалами, образуя гидратную оболочку. Чем больше в белке полярных (заряженных) аминокислотных остатков, тем лучше растворимость белка.

17

Денатурация – это процесс разрушения нативной (вторичной, третичной, четвертичной) структуры белка (первичная структура не разрушается) под действием химических (сильные кислоты, щелочи, тяжелые металлы и др.) или физических факторов (нагревание, радиация).

Свойства денатурированных белков:

1.Увеличение числа реактивных функциональных групп (такие белки легче реагируют с другими веществами);

2.Уменьшение растворимости и осаждение белка;

3.Потеря биологической активности;

4.Более легкое расщепление протеолитическими ферментами.

Впробирке (in vitro) денатурация чаще всего необратимый процесс. В организме возможна ренатурация. Это связано с выработкой

вживом организме специфических белков, которые «узнают» структуру денатурированного белка, присоединяются к нему с помощью слабых типов связи и создают оптимальные условия для ренатурации. Такие специфические белки известны как «белки теплового шока»

или «шапероны».

Высаливание – это процесс осаждения белков нейтральными солевыми растворами. Добавляемые анионы и катионы снимают гидратную оболочку белков и способствуют осаждению белков. Сильным высаливающим действием обладают сульфаты. Высаливание используется для разделения и очистки белков.

Классификация и номенклатура белков. Представители простых белков, их характеристика и биологическая роль.

По форме молекулы и особенностям пространственной структуры белки можно разделить на глобулярные и фибриллярные. Форма глобулярных белков близка к сферической или эллипсовидной. Молекулы глобулярных белков имеет удлиненную форму.

Фибриллярные белки. Особенности структурной организации некоторых фибриллярных белков (коллаген).

Фибриллярный белок коллаген – самый распространенный белок в организме человека. Его молекула построена из трех пептидных цепей, которые переплетены друг с другом и стабилизируются за счет межцепочечных водородных, ионных, ван-дер-ваальсовых связей. Все три цепи коллагена параллельны. Каждая третья аминокислота в составе пептидной цепи коллагена представлена глицином, кроме этого, в составе коллагена содержится большое количество амино-

18

кислот - пролина и гидроксипролина, которые могут образовывать только одну водородную связь, поэтому полипептидные цепи коллагена при формировании вторичной и третичной структур не способны образовывать типичных α – спиралей. Коллагеновые волокна составляют основу соединительной ткани.

По структурным признакам белки делят на 1) простые белки, которые состоят только из аминокислот и 2) сложные белки, которые, кроме аминокислот, содержат небелковые вещества – простетические группы.

К простым белкам относят гистоны, протамины, альбумины, глобулины.

Гистоны – это тканевые белки с выраженными основными свойствами из-за большого содержания аргинина и лизина. Главные функции гистонов – структурная и регуляторная. Структурная функция состоит в том, что гистоны участвует в стабилизации пространственной структуры ДНК. Регуляторная функция состоит в способности блокировать передачу генетической информации от ДНК к РНК.

Альбумины – это широко распространенные в организме белки с относительно низкой молекулярной массой и кислыми свойствами из-за высокого содержания глутаминовой кислоты. Синтезируются они в печени. Содержание альбумина в крови человека составляет 3560 г/л. Альбумины сильно гидратированы (имеют большую гидратную оболочку) и поэтому трудно поддаются высаливанию. Альбумины выполняют в организме следующие функции:

1.Транспортная (переносят различные химические вещества - билирубин, холестерин, желчные кислоты, Са2+, некоторые лекарственные препараты).

2.Создание и поддержание коллоидно-осмотического давления и рН крови.

3.Обезвреживающая (благодаря функциональным группам аминокислот, альбумины связывают токсические соединения – тяжелые металлы, алкалоиды).

4.Резервная. Альбумины являются важнейшим резервом белка в организме.

Глобулины – синтезируются, в основном, в печени. Это слабокислые или нейтральные белки они слабогидратированны и высаливаются при 50% насыщении соли. Содержание глобулинов в крови человека в нооме составляет 25-35 г/л. Глобулины делятся на три электрофоретические фракции: α-,β- и γ- глобулины.

19

Функции глобулинов:

1.Транспортная (перенос металлов, гормонов и других органических веществ.

2.Защитная функция связана со структурой γ-глобулинов (антител).

3.Поддержание онкотического давления и рН, но в меньшей степени, чем альбумины.

I.Вопросы для самоподготовки:

1.Белки – общая характеристика.

2.Биологические функции белков (привести конкретные примеры).

3.Классификация и физико-химические свойства аминокислот.

4.Аминокислоты, пептиды и белки как фармакопрепараты.

5.Первичная структура белков. Наследственные изменения первичной структуры.

6.Вторичная структура белка, ее основные типы: α-спираль и β- структура.

7.Третичная структура белка, характеристика связей, стабилизирующих ее.

8.Четвертичная структура белка. Связи, стабилизирующие четвертичную структуру белка.

9.Классификация и номенклатура белков.

10.Представители простых белков, их характеристика и биологическая роль (альбумины, глобулины, гистоны).

11.Фибриллярные белки. Особенности структурной организации некоторых фибриллярных белков (коллаген, эластин).

12.Физико-химические свойства белков: амфотерность, коллоидно - осмотические свойства, гидратация. Высаливание. Денатурация. Свойства денатурированных белков. Ренатурация.

II.Тестовые задания для самоконтроля:

1.Белки стоят из:

а) остатков глюкозы б) аминокислот

в) глицерина и жирных кислот г) нуклеиновых кислот

2.К полузаменимым относятся аминокислоты: а) глицин, пролин, лизин б) фенилаланин, триптофан, лейцин

в) гистидин, аргинин, тирозин г) серин, цистеин, метионин

3. Незаменимыми для человека являются ... аминокислот.

20