Хімічний склад білків

Елементний склад. Дослідження елементного складу білків розпочалось ще на початку XIX ст. Перші дані про елементарний склад білків з’явились у 1809 р. на основі досліджень Ф. Грена. У результаті хімічного аналізу білків було визначено їх важливі складові елементи та кількісне співвідношення. Так, було встановлено, що до складу білків входять, %: вуглець – 50 – 55, водень – 6,5 – 7,3, азот – 15 – 17, кисень – 21 – 23, сірка – 0,3 – 2,5. У складі білків було виявлено також фосфор, йод, залізо та інші елементи.

Амінокислотний склад. Разом з визначенням елементного складу білків було розпочато вивчення і їх будови. Спочатку вважали, що основними структурними компонентами молекул білка є пептони, які було виділено при гідролізі різних білків. Пізніше (серед продуктів розщеплення білків) дослідники звернули увагу на речовини, які довгий час розглядалися ними не як складові частини молекул білка, а як продукти дії на білкові речовини сильних хімічних реагентів.

У 1820 р. А. Браконно вперше при кислотному гідролізі білка (желатини) виділив амінокислоту – гліцин. Оскільки амінокислота була солодка на смак, то її назвали глікоколом. Дещо пізніше (у 1871 р. російським хіміком М.М. Любавіним) було доведено, що і при ферментативному гідролізі білки розкладаються на амінокислоти.

Отже, в другій половині XIX ст. було встановлено, що основними структурними компонентами білка є амінокислоти.

Амінокислоти

У живих клітинах синтезується багато макромолекул (білків, нуклеїнових кислот, полісахаридів), які відіграють роль структурних компонентів, біокаталізаторів, гормонів, рецепторів або в них зосереджена генетична інформація. Ці макромолекули представляють собою біополімери, які побудовані з мономерних одиниць, або структурних блоків. В нуклеїнових кислотах мономерними одиницями є нуклеотиди, в складних полісахаридах – цукри і їх похідні, а в білках – L-a-амінокислоти.

Білки, крім того можуть містити й інші компоненти, однак трьохвимірна структура, а відповідно, й їх біологічне значення визначається в основному амінокислотним складом, порядком чергування амінокислот в поліпептидному ланцюзі і як наслідок їх взаємним просторовим розміщенням.

Амінокислоти в клітинах виконують багато важливих функцій; деякі з біологічно важливих сполук, які утворюються із амінокислот наведені в таблиці 3.

Біологічне значення. Амінокислоти являючись будівельними блоками пептидів і білків, виконують і ряд інших важливих функцій. Деякі з них, мабуть приймають участь у передачі нервових імпульсів; прикладами служать гліцин і глютамінова кислота. В їжі повинні міститися незамінні амінокислоти, оскільки організм людини не здатен синтезувати їх в кількостях, достатніх для росту. В результаті метаболізму амінокислот утворюється багато сполук, які мають важливе біологічне значення. Наприклад, при декарбоксилуванні деяких амінокислот утворюються відповідні аміни, і деякі з них (гістамін, g-аміномасляна кислота (ГАМК)) виконують важливі біологічні функції. Ряд аномальних процесів, які виникають в організмах, пов’язані з порушенням транспорту амінокислот до клітин.

Амінокислоти містять в якості функціональних груп аміногрупу і карбоксильну групу. В a-амінокислотах обидві вони зв’язані з одним і тим же (a) вуглецевим атомом:

У природі існує близько 300 амінокислот, однак в білках виявлено тільки 20 з них. У результаті повного гідролізу білків вивільняється 20 L-a-амінокислот (табл. 1). Одні і ті ж 20 амінокислот присутні в білкових молекулах всіх форм життя – рослин, тварин і мікроорганізмів. Чому це так – ми зрозуміємо пізніше, коли будемо обговорювати універсальну природу генетичного коду. Однак, у ряді білків зустрічаються похідні деяких амінокислот, які утворюються вже після включення звичайних амінокислот в молекулу білка (табл. 3).

За виключенням гліцину, у якого R – це атом гідрогену, у всіх амінокислот чотири групи, зв’язані з a-вуглецевим атомом, різні. Дякуючи тетраедричному розміщенню чотирьох різних груп відносно a-вуглецевого атома амінокислота володіє оптичною активністю (здатністю обертати площину поляризації плоскополяризованого світла). Одні амінокислоти, що входять до складу білків, є (при рН=7,0) правообертаючими, а інші – лівообертаючими, однак всі вони мають абсолютну конфігурацію L-гліцеральдегіду і тому є L-a-амінокислотами.

Іонні форми амінокислот. Амінокислоти несуть по крайній мірі дві слабоіонізуючі кислі групи, –СООН і –NH₃⁺. У розчині ці групи знаходяться у двох формах, зарядженій і незарядженій, між якими підтримується протонна рівновага:

R–СООН Û R–СОО^- + Н⁺ і R–NН₃⁺ Û R–NН₂ + Н⁺.

Групи R–СООН і R–NН₃⁺ є протонованими партнерами, тобто кислотами, а R–СОО^- і R–NН₂ – спряженими основами, тобто акцепторами протонів відповідних кислот. При значеннях рН, характерних для плазми крові і міжклітинної рідини (7,4 і 7,1 відповідно), карбоксильні групи знаходяться виключно у формі карбонілатних іонів, R–СОО^-. При цих же значеннях рН більша частина аміногруп знаходиться переважно у асоційованій формі, R–NН₃⁺. Однак в багатьох рівняннях краще використовувати не дисоційовані форми молекул амінокислот, наприклад при обговоренні питання про хімізм реакцій.

Повний сумарний заряд (алгебраїчна сума всіх позитивних і негативних зарядів) амінокислоти залежить від рН середовища, тобто від концентрації протонів гідрогену в розчині. Заряд амінокислоти або її похідного можна змінити, варіюючи значенням рН середовища; це полегшує фізичне розділення амінокислот, пептидів, білків.

Значення рН, при якому сумарний заряд молекули амінокислоти дорівнює нулю, називається ізоелектричною точкою (рІ), саме тому вона не переміщується в постійному електричному полі. Значення ізоелектричної точки знаходиться між найближчими значеннями рК дисоціюючих груп по різні сторони від рІ.

Структура амінокислот. Амінокислоти, які входять до складу білків, є можливість розбити на дві великі групи на основі того, якими є R–групи, зв’язані з атомом a-вуглецю, – полярними і неполярними (табл. 2).

Усі амінокислоти, які виявлено в складі білків, синтезуються в рослинних організмах. В організмі людини і тварин синтезується лише частина протеїногенних амінокислот, а деякі з них утворюються в недостатній кількості для нормального синтезу. В зв’язку з цим усі їх поділяють на три групи: замінні, напівзамінні і незамінні (табл. 2). Останні дві групи в організмі синтезуються в недостатній кількості або не синтезуються взагалі, і тому вони повинні надходити до організму ззовні, в основному з їжею.

Таблиця 1

^{L-a-амінокислоти, які входять до складу білків}1)

№	Назва	Скорочене позначення	Структурна формула
З аліфатичними боковими ланцюгами
1	Гліцин	Глі Gly G
2	Аланін	Ала Ala A
3	Валін	Вал Val V
4	Лейцин	Лей Leu L
5	Ізолейцин	Іле Ile I
З боковими ланцюгами, які містять гідроксильні (ОН) групи
6	Серин	Сер Ser S
7	Треонін	Тре Thr T
8	Тирозин	Тир Tyr Y	див. нижче
З боковими ланцюгами, які містять атоми сірки
9	Метіонін	Мет Met M
10	Цистеїн2)	Цис Cys C
Імінокислоти
11	Пролін	Про Pro P
З боковими ланцюгами, які містять кислі групи і їх аміди
12	Аспарагінова кислота	Асп Asp D
13	Аспарагін	Асн Asn N
14	Глютамінова кислота	Глу Glu E
15	Глютамін	Глн Gln Q
З боковими ланцюгами, які містять основні групи
16	Аргінін	Арг Arg R
17	Лізин	Ліз Lys K
18	Гістидин	Гіс His H
Амінокислоти, які містять ароматичні кільця
19	Гістидин	Гіс His H	див. вище
20	Фенілаланін	Фен Phe F
21	Тирозин	Тир Tyr Y
22	Триптофан	Три Trp W

1) За виключенням гідроксилізину і гідроксипроліну, які включаються до молекул білків у вигляді лізину та проліну, а потім гідроксилюються, для всіх перерахованих в таблиці амінокислот є специфічні тРНК, тому їх включення в білок здійснюється під прямим генетичним контролем.

2) Цистин складається із двох молекул цистеїну, з’єднаних дисульфід ним зв’язком:

У таблиці 1 наведені трьохбуквенні і однобуквені позначення амінокислот, які широко використовуються в біохімії. Однобуквені позначення застосовуються для запису досить довгих амінокислотних послідовностей (наприклад, повних амінокислотних послідовностей білків).

Таблиця 2

Класифікація L-a-амінокислот, які входять до складу білків,

основана на полярності їх R–груп

Неполярні	Полярні
Аланін Валін* Ізолейцин* Лейцин* Метіонін* Пролін Триптофан* Фенілаланін*	Аргінін** Аспарагін Аспарагінова кислота Гістидин** Гліцин Глютамін Глютамінова кислота Лізин* Серин Тирозин** Треонін* Цистеїн
* - незамінні амінокислоти; ** - напівзамінні амінокислоти.

Амінокислоти, які знаходяться у вільному стані або які входять до складу інших сполук (не білків), виконують важливі функції в багатьох метаболічних процесах (табл. 3). Наприклад, амінокислоти орнітин, цитрулін і аргініносукцинат беруть участь у метаболізмі сечовини. В природних об’єктах виявлено більше 20 D-амінокислот. До їх числа належить D-аланін, D-глутамат, які входять до складу клітинних стінок деяких бактерій; ряд D-амінокислот входить до складу антибіотиків.

Таблиця 3

Деякі амінокислоти, які не входять до складу білків, але відіграють важливу

роль в метаболізмі організму

Назва	Роль	Структурна формула
Гідроксилізин	Входить до складу колагену та желатини
Гідроксипролін	Входить до складу колагену та желатини
Орнітин	Проміжна сполука в метаболізмі треоніну, аспарагінової кислоти і метіоніну.
3,5-дийодтирозин	Попередник тиреоїдних гормонів
Гомоцистеїн	Проміжна сполука в біосинтезі цистеїну
Гомосерин	Проміжна сполука в метаболізмі треоніну, аспарагінової кислоти і метіоніну.
Цитрулін	Проміжна сполука в біосинтезі сечовини
b-аланін	Складова частина коферменту А і вітаміну пантетеїну
Таурин	Знаходиться у жовчі в складі кон’югатів жовчних кислот
g-аміномасляна кислота (ГАМК)	Нейромедіатор, який утворюється із глутамату в тканинах мозку

Розчинність амінокислот. Амінокислоти містять по декілька заряджених груп, тому вони легко піддаються сольватації і добре розчиняються в полярних розчинниках (вода, етанол) і не розчиняються в неполярних розчинниках (бензол, гексан, ефір). Температура плавлення амінокислот досить велика (> 200°C). Це теж обумовлено присутністю в них заряджених груп.

Загальні хімічні властивості амінокислот, які визначаються властивостями карбоксильної і аміногруп

Властивості карбоксильної групи

Як і всі інші сполуки, що містять карбоксильну групу, амінокислоти при взаємодії з основами утворюють солі, а в результаті реакцій із спиртами і амінами утворюють, відповідно, ефіри і аміди.

Важливу роль в біохімії відіграє реакція декарбоксилування амінокислот, в результаті якої карбоксильна група зникає і залишається тільки аміногрупа:

Методи визначення С-кінцевих амінокислот. Для вивчення С-кінцевих амінокислот часто використовують метод гідразинолізу, розроблений японським ученим Ф. Акабборі, який грунтується на гідролізі поліпептидного ланцюга білкової молекули гідразином. При цьому С-кінцева амінокислота відщеплюється у вільному стані, а всі інші амінокислоти – у вигляді сполук з гідразином:

Гідролізат потім обробляють 2,4-динітрофторбензолом, у результаті чого гідразиди перетворюються на ДНФ-гідразиди, а С-кінцева амінокислота – на ДНФ-амінокислоту (див. нижче).

Після цього ДНФ-гідразиди екстракцією (оцтово-етиловим ефіром) відділяють від ДНФ-амінокислот.

Для визначення С-кінцевої амінокислоти застосовують також ферментативний метод, використовуючи панкреатичні карбоксипептидази.

Так, карбоксипептидаза А відщеплює від білка або пептиду лише той амінокислотний залишок, який має вільну карбоксильну групу.

Інформацію про послідовність С-кінцевих амінокислот у ланцюгу можна отримати під час визначення швидкості відщеплення кожного наступного С-кінцевого залишку амінокислоти. Необхідно відзначити, що карбоксипептидаза А малоактивна до залишків С-кінцевих амінокислот лізину, аргініну і проліну. Тому залишки цих амінокислот досліджують з використанням карбоксипептидази В.