1.1.2. Первичная структура белка
В связи с тем, что ферменты в основе являются белковыми веществами нам следует рассмотреть строение и свойства белков. В состав всех известных белков входит углевод, водород, азот и кислород. Очень часто присутствует сера. В некоторых белках, помимо выше названных элементов, присутствуют фосфор, цинк, железа, медь. Белки обладают очень большими молекулярным весом, поэтому их называют макромолекулами. Макромолекула белка состоит из одной или нескольких полипептидных цепей, построенных из аминокислотных остатков. Аминокислотные остатки, последовательно соединенные друг с другом являются главными компонентами белка. Химическая формула белка изображаемая в виде линейной последовательности аминокислотных остатков описывает первичную структуру белка. Каждый аминокислотный остаток имеет одинаковую для всех остатков часть, и за исключением 2-х концевых остатков, связан двумя соседними таким образом, что формируется непрерывная, неразветвленная цепь. Эта цепь называется основной цепью белковой молекулы. К каждому α–углероду основной цепи присоединены вариабельные части аминокислотных остатков (боковые или R–группы).
В качестве строительных блоков в белках встречаются 20 аминокислот. С учетом заряда боковых групп все аминокислоты можно разделить на три группы: Полярные: Лизин, Аргинин, Гистидин, Аспарагиновая кислота, Глутаминовая кислота, Аспартин, Глутамин, Серин, Треонин. Неполярные: Фенилаланин, Триптофан, Тирозин (ароматические), Метионин, Цистеин (серосодержащие), Аланин, Лейцин, Валин, Изолейцин, Пролин (алифатические). Нейтральная – Глицин
Свободная аминокислота отличается от аминокислотного остатка наличием дополнительного атома водорода на одном конце (присутствие аминогруппы NH2) и дополнительной гидрооксильной группы – ОН на другом конце (рис 1.1.).
Как видно аминокислоты располагаются таким образом, что конец одной аминокислоты связан с началом другой пептидной связью. Эта связь образуется в результате реакции между аминогруппой одной свободной аминокислоты и карбоксильной группой другой, или между аминогруппой свободной аминокислоты и карбоксильными концом полипептида. При этом выделяется вода. Т.е. свободные аминокислоты представляют собой мономеры, из которых путем конденсации строится молекула полимер белка. И полипептидная связь синтезируется в результате повторяющихся актов образования пептидной связи. На одном конце находится свободная - NH2 группа (N – конец), а на другом – свободная – СООН – группа (С-конец) (Рис.1.2).
Обычно в белковых молекулах насчитывается 40 и более остатков, хотя встречаются молекулы с 1000 и более остатками. Различные аминокислотные остатки представлены в белках с различными частотами. К наиболее редким остаткам относятся триптофан, метионин, цистин, к частым – аланин, серин, глицин. Значительная вариабельность последовательностей обеспечивает большое разнообразие структур и функций белков. Давайте сделаем небольшой расчет. Предположим, что белок содержит 100 остатков. С учетом количества аминокислот (20) для этого белка возможем 20100 различных вариантов последовательности. Т.е. может быть построено 10130 белков с различными свойствами.
Следует отметить, что кроме выше рассмотренных обычных и несколько редких аминокислот, входящих в состав белков, существуют более 150 других аминокислот, встречающихся во многих клетках и тканях как в свободном так и в связанном состоянии, но не являющихся составными частями белков. В основном это производные α – аминокислот, но встречаются и β, γ, δ аминокислоты. Часть этих аминокислот играют роль предшественников или промежуточных продуктов метаболизма (β – аланин, цитруллин), а другие являются химическими агентами при передачи нервных импульсов (γ - аминомасляная кислота).
Ряд аминокислот, выделенных из растений токсичны для животных (канаванин, β-цианоаланин).
Как мы с вами уже выяснили под первичной структурой белка понимают последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи. Существуют специальные методы расшифровки первичной структуры, которых вы знаете из курса биохимии.
Один из этих методов основан на тем, что если кипятить полипептид или белок с кислотой, то происходит гидролиз белка и он распадается на аминокислоты. Если перед гидролизом обработать белок веществами реагирующие со свободной концевой аминогруппой белка и образующий в ней прочную связь, то после гидролиза мы можем определить какая кислота была N - концевой и количество. Для этой цели применяют динитрофторбензол.
Второй, более удобный метод идентификации N – концевых аминокислот основан на применении фенилизотиционата. Этот реактив образует фенилкарбомоилпроизводные пептида. При обработки такого пептида слабой кислотой происходит его полимеризация ? с образованием фенилтиогидантоипового производного NH2 - концевой аминокислоты. Это производное отщепляется и пептид укорачивается на один остаток. Причем производные можно идентифицирова хром. методом. Оставшийся пептид можно выделить в неповрежденном виде и подвергнуть новому циклу обработки, для следующей за NH2 – концом аминокислоты и т.д.
С – концевые аминокислоты идентифицируются при помощи фермента карбоксипептидазы. Этот фермент специфически разрывает пептидную связь, соединяющую С-концевой остаток со следующим остатком пептида. Использованием приведенных методов, наряду со специфическими протеолитическими ферментами позволяют расшифровать аминокислотную последовательность.