Садчикова Е.В. Химический состав клетки

Подождите немного. Документ загружается.

Садчикова Е.В., Селезнева И.С. Химический состав клетки

ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005

Стр. 11 из 42

CHCH

COOH

HOOC

Аспараги-

новая

кислота

(асп)

CHCH

COOH

Гистидин

(гис)

CHCH

COOH

Аспарагин

(асн)

COOH

Пролин

(про)

CHCH

COOHCH

HOOC

Глутамино-

вая

кислота

(глу)

CHCH

COOH

Фенила-

ланин

(фен)

CHCH

COOHCH

Глутамин

(глн)

CHCH

COOH

Тирозин

(тир)

CHCH

COOH

Серин

(сер)

CHCH

COOH

Трипто-

фан

(три)

Благодаря своему строению аминокислоты обладают амфотерными свойст-

вами, т.е. одновременно проявляют свойства кислот и оснований: недиссоцииро-

ванная форма аминокислоты в нейтральном водном растворе превращается в дипо-

лярную форму (цвиттерион), которая способна взаимодействовать как с кислотами,

так и с основаниями. Рассмотрим амфотерность аминокислот на примере ней-

тральной молекулы:

COOH

COO

Недиссоциированная

форма аминокислоты

Диссоциированная

форма аминокислоты

Взаимодействие диполярного иона с кислотой (Н

) и основанием (ОН⎯)

можно выразить следующей схемой:

COOH

COO

По кислотно-основным свойствам аминокислоты делят в зависимости от

физико-химических свойств бокового радикала на три группы: кислые, основные и

нейтральные. К кислым относятся аминокислоты с карбоксильными группами в

Продолжение таблицы 5

Садчикова Е.В., Селезнева И.С. Химический состав клетки

ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005

Стр. 12 из 42

боковом радикале: аспарагиновая и глутаминовая кислоты, к основным – амино-

кислоты лизин, аргинин и гистидин, имеющие в боковом радикале группировку с

основными свойствами: аминогруппу, гуанидиновую и имидазольную группы. Все

остальные аминокислоты – нейтральные, так как их боковой радикал не проявляет

ни кислых, ни основных свойств.

Следовательно, аминокислоты имеют суммарный нулевой, положительный

или отрицательный

заряд, зависящий от рН-среды. Значение рН-среды, при кото-

ром заряд аминокислоты равен нулю, называется изоэлектрической точкой. Изо-

электрическая точка отражает кислотно-основные свойства разных групп в амино-

кислотах и является одной из важных констант, характеризующих аминокислоту.

При взаимодействии аминокислот друг с другом образуются очень прочные

ковалентные связи между

карбоксильной группой одной аминокислоты и амино-

группой другой аминокислоты, при этом выделяется молекула воды:

Пептидная свя зь

Каждую аминокислоту, входящую в состав белка, называют аминокислот-

ным остатком. Аминокислотные остатки в молекуле белка соединены пептидны-

ми связями. Длина пептидной связи составляет 0,1325 нм, представляя собой сред-

нюю величину между длинами одинарной С-N связи (0,146 нм) и двойной С=N

связи (0,127 нм), т. е. пептидная связь частично имеет характер двойной связи. Это

сказывается на свойствах пептидной группировки:

 пептидная группировка имеет жесткую планарную структуру, т. е. все атомы,

входящие в нее, располагаются в одной плоскости;

 атомы кислорода и водорода в пептидной группировке находятся в транс-

положении по отношению к пептидной С-N связи:

0.151

0.132

0.146

Рис. 1. Пептидная группировка (длины связей указаны в нм)

Садчикова Е.В., Селезнева И.С. Химический состав клетки

ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005

Стр. 13 из 42

 пептидная группировка может существовать в двух резонансных формах (кето-

и енольной):

кето-форма енольная форма

Эти свойства пептидной группировки определяют структуру полипептидной

цепи, которая состоит из регулярно повторяющихся участков, образующих остов

молекулы, и вариабельных участков – боковых радикалов аминокислотных остат-

ков. Полипептидная цепь имеет определенное направление, поскольку каждый из

ее строительных блоков имеет разные концы: амино- и карбоксильную группы.

Началом полипептидной цепи считают конец, несущий свободную

аминогруппу

(N-конец), а заканчивается полипептидная цепь свободной карбоксильной группой

(С-конец).

Соединение из двух аминокислот называется дипептидом, из трёх – три-

пептидом, из нескольких аминокислот – полипептидом, при этом возможно ог-

ромное количество комбинаций аминокислот. В каждой белковой молекуле поря-

док следования аминокислот и их количество строго определены, в норме

постоян-

ны и закодированы в молекуле ДНК, отвечающей за синтез данного полипептида.

Перестановка аминокислот местами или замена одной аминокислоты на другую в

белковой молекуле может привести к серьёзным нарушениям процессов, проте-

кающих в клетке. Примером тому служит замена в β-цепи гемоглобина человека

остатка глутаминовой кислоты, занимающего шестое положение, на остаток

вали-

на. Результатом этого является тяжелое, передающееся по наследству заболевание,

– серповидноклеточная анемия.

Т.о., понятно, что последовательность аминокислот – фактор очень важный.

Он и определяет первичную структуру белковой молекулы. Под первичной

структурой белка понимают порядок чередования аминокислотных остатков в по-

липептидной цепи. Первичная структура белка уникальна и определяется генами. К

настоящему

времени расшифрована первичная структура более тысячи белков из

разных организмов, в том числе и человека. Кроме первичной структуры, выделя-

ют ещё и вторичную, третичную, а для некоторых белков и четвертичную структу-

ру.

Садчикова Е.В., Селезнева И.С. Химический состав клетки

ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005

Стр. 14 из 42

Таблица 6

Структура белков

Первичная Вторичная Третичная Четвертичная

Линейная

последовател

ьность

аминокислот

в полипеп-

тидной це-

почке

Полипептидные цепи

могут скручиваться,

изгибаться, формируя

спираль, витки кото-

рой удерживаются

водородными связями

между С=О и N-H

группами разных

аминокислот

Витки полипептидной

спирали сворачиваются в

клубочки – глобулы. Та-

кая сложная пространст-

венная структура удер-

живается за счёт связей

(дисульфидных, гидро-

фобных, др

.) между ра-

дикалами аминокислот

Объединение не-

скольких полипеп-

тидов (субъединиц)

в макромолекулу

белка. Кроме поли-

пептидов в состав

молекулы могут

входить и другие

компоненты

Глобулярная структура обнаружена у всех жизненно важных белков, для каждого типа белков характерна

своя, специфическая форма глобулы.

Четвертичная структура встречается лишь у определённых групп белков, например у гемоглобина, в кото-

ром четыре полипептидных цепочки объединяются вокруг иона железа.

Вторичная структура – это пространственная организация стержня поли-

пептидной цепи, способ укладки полипептидной цепи в упорядоченную структуру.

Существуют три главнейших типа вторичной структуры:

α-спираль – имеет определенные характеристики: ширину, расстояние меж-

ду двумя витками спирали. Для белков характерна правозакрученная спираль с

винтовой симметрией. В этой спирали на 10 витков прихо-

дится 36 аминокислотных

остатков. У всех пептидов, уло-

женных в такую спираль, эта спираль абсолютно одинакова.

Фиксируется α-спираль с помощью водородных связей ме-

жду водородами NH-группы одного витка спирали и кисло-

родами С=О группы соседнего витка, входящими в пептид-

ную связь. Эти водородные связи расположены параллель-

но оси спирали и многократно повторяются

, поэтому проч-

но удерживают спиралеобразную структуру. Более того,

удерживают в несколько на-

пряженном состоянии (как

сжатую пружину). Боковые ра-

дикалы аминокислотных ос-

татков не участвуют в поддер-

жании α-спиральной конфигу-

рации, поэтому все аминокислотные остатки в α-

спирали равнозначны.

β-складчатая структура – или структура

складчатого листа. Два участка полипептидной

цепи

также фиксируются водородными связями между С=О

и NH-группами. Если такие связи образуются в пределах одного пептида, то они

всегда антипараллельны, а если между разными полипептидами, то параллельны.

Рис. 2. α-Спираль

Рис. 3. β-Складчатая структура

(антипараллельна)

Садчикова Е.В., Селезнева И.С. Химический состав клетки

ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005

Стр. 15 из 42

нерегулярная структура – тип вторичной структуры, в котором расположе-

ние различных участков полипептидной цепи относительно друг друга не имеет

постоянного характера, поэтому нерегулярные структуры могут иметь различную

конформацию.

Вторичная структура белка определяется первичной. Аминокислотные ос-

татки в разной степени способны к образованию водородных связей, это и влияет

на образование α-спирали или

β-слоя. К спиралеобразующим аминокислотам отно-

сятся аланин, глутаминовая кислота, глутамин, лейцин, лизин, метионин и гисти-

дин. Если фрагмент белка состоит главным образом из перечисленных выше ами-

нокислотных остатков, то на данном участке сформируется α-спираль. Валин, изо-

лейцин, треонин, тирозин и фенилаланин способствуют образованию β-слоев по-

липептидной цепи.

Неупорядоченные структуры возникают на участках полипеп-

тидной цепи, где сконцентрированы такие аминокислотные остатки, как глицин,

серин, аспарагиновая кислота, аспарагин, пролин.

Третичная структура – это трехмерная архитектура полипептидной цепи,

особое взаимное расположение в пространстве спиралеобразных, складчатых и не-

регулярных участков полипептидной цепи. Иными словами, способ укладки поли-

пептидной цепи в пространстве. Чтобы белок

приобрел присущие ему функцио-

нальные свойства, полипептидная цепь должна определенным образом свернуться

в пространстве, сформировав функционально активную структуру. Такая структура

называется нативной. Несмотря на громадное число теоретически возможных для

отдельной полипептидной цепи пространственных структур, сворачивание белка

приводит к образованию единственной нативной конфигурации.

третичную структуру белка стабилизируют взаимодействия, возникающие

между боковыми

радикалами аминокислотных остатков разных участков полипеп-

тидной цепи. Эти взаимодействия можно разделить на сильные и слабые.

К сильным взаимодействиям относятся ковалентные связи между атомами

серы остатков цистеина, стоящих в разных участках полипептидной цепи. Иначе

такие связи называются дисульфидными мостами:

SH SH

COOH

HOOC

- 2Н

Кроме ковалентных связей третичная структура белковой молекулы поддер-

живается слабыми взаимодействиями, которые, в свою очередь, разделяются на

Садчикова Е.В., Селезнева И.С. Химический состав клетки

ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005

Стр. 16 из 42

полярные и неполярные. К полярным взаимодействиям относятся ионные и водо-

родные связи. Ионные взаимодействия образуются при контакте положительно за-

ряженных групп боковых радикалов лизина, аргинина, гистидина и отрицательно

заряженной СОО

⎯

-группы аспарагиновой и глутаминовой кислот. Водородные свя-

зи возникают между функциональными группами боковых радикалов аминокис-

лотных остатков.

Неполярные (гидрофобные) или Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия между

углеводородными радикалами аминокислотных остатков способствуют формиро-

ванию гидрофобного ядра (жирной капли) внутри белковой глобулы, т. к. углево-

дородные радикалы стремятся избежать соприкосновения с водой. Чем

больше в

составе белка неполярных аминокислот, тем большую роль в формировании его

третичной структуры играют Ван-дер-Ваальсовы связи.

1-й фрагмент полипетидной цепи

2-й фрагмент полипептидной цепи

(CH

)

аб вг д

Рис. 4. Типы связей,

поддерживающих

третичную структу-

ру белка:

а – дисульфидный

мостик;

б – ионная связь;

в, г – водородные

связи;

д – Ван-дер-

Ваальсовы связи

Многочисленные связи между боковыми радикалами аминокислотных ос-

татков определяют пространственную конфигурацию белковой молекулы. Третич-

ная структура отдельно взятого белка уникальна, как уникальна и его первичная

структура. Только

правильная пространственная укладка белка делает его актив-

ным. Различные нарушения третичной структуры приводят к изменению свойств

белка и потере биологической активности.

Выделяют два общих типа третичной структуры:

В фибриллярных белках (например, коллаген, эластин) третичная структура

представлена либо тройной α-спиралью (например, в коллагене), либо β-

складчатыми структурами. Они имеют вытянутую форму

, характеризуются высо-

ким отношением длины молекулы к диаметру (несколько десятков единиц). Моле-

кулы нитевидны и обычно собраны в пучки, которые образуют волокнистые струк-

Садчикова Е.В., Селезнева И.С. Химический состав клетки

ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005

Стр. 17 из 42

туры. Фибриллярные белки являются главными компонентами наружного слоя ко-

жи, образуя защитные покровы тела человека. Они также участвуют в образовании

соединительной ткани, включая хрящи и сухожилия.

В глобулярных белках, молекулы которых имеют форму шара или эллипса

(латинское название: GLOBULA – шар), встречается сочетание всех трех типов

структур: всегда есть нерегулярные участки, есть

β-складчатые структуры и α-

спирали. Подавляющее количество природных белков относится к глобулярным.

Для них характерно небольшое отношение длины к диаметру молекулы (несколько

единиц). Имея более сложную конформацию, эти белки выполняют и более разно-

образные, по сравнению с фибриллярными белками, функции.

Обычно в глобулярных белках гидрофобные участки молекулы находятся в

глубине

молекулы. Соединяясь между собой, гидрофобные радикалы образуют

гидрофобные кластеры (центры). Формирование гидрофобного кластера вынужда-

ет молекулу соответствующим образом изгибаться в пространстве. Обычно в моле-

куле глобулярного белка бывает несколько гидрофобных кластеров в глубине мо-

лекулы. Это является проявлением двойственности свойств белковой молекулы: на

поверхности молекулы – гидрофильные группировки, поэтому молекула в

целом –

гидрофильная, а в глубине молекулы – спрятаны гидрофобные радикалы.

Четвертичная структура белка. Белки с молекулярной массой более 100

кДа (Дальтон (Да) – единица массы, практически равная массе атома водорода) со-

стоят, как правило, из нескольких полипептидных цепей со сравнительно неболь-

шой молекулярной массой. Структура, состоящая из определенного числа поли-

пептидных цепей, занимающих строго

фиксированное положение относительно

друг друга, вследствие чего белок обладает той или иной активностью, называется

четвертичной структурой белка. Белок, обладающий четвертичной структурой,

называется эпимолекулой или мультимером, а составляющие его полипептидные

цепи – соответственно субъединицами или протомерами. Характерным свойством

белков с четвертичной структурой является то, что отдельная субъединица не об-

ладает биологической активностью.

Стабилизация четвертичной структуры белка происходит за счет полярных

взаимодействий между боковыми радикалами аминокислотных остатков, локали-

зованных на поверхности субъединиц. Такие взаимодействия прочно удерживают

субъединицы в виде организованного комплекса. Участки субъединиц, на которых

происходят взаимодействия, называются контактными площадками.

Классическим примером белка, имеющего четвертичную структуру, являет-

ся гемоглобин. Молекула гемоглобина с молекулярной массой

68 000 Да состоит из

Садчикова Е.В., Селезнева И.С. Химический состав клетки

ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005

Стр. 18 из 42

четырех субъединиц двух разных типов – α и β. α-Субъединица состоит из 141

аминокислотного остатка, а β – из 146. Третичная стурктура α- и β-субъединиц

сходна, как и их молекулярная масса (17 000 Да). Каждая субъединица содержит

простетическую группу – гем. Поскольку гем присутствует и в других белках (ци-

тохромы, миоглобин), которые будут изучаться далее, хотя

бы коротко обсудим

структуру гема. Группировка гема представляет собой сложную копланарную цик-

лическую систему, состоящую из центрального атома Fe, который образует коор-

динационные связи с четырьмя остатками пиррола, соединенными метиновыми

мостиками (=СН-). В гемоглобине железо обычно находится в степени окисления

2. Четыре субъединицы – две α и две β – соединяются в единую структуру таким

образом, что α-субъединицы контактируют только с β-субъединицами и наоборот.

Одна молекула гемоглобина способна переносить 4 молекулы О

. И связывание, и

освобождение О

сопровождается конформационными изменениями структуры α-

и β-субъединиц гемоглобина и их взаимного расположения в эпимолекуле, что сви-

детельствует о том, что четвертичная структура белка не является абсолютно

жесткой.

COOH

HOOC

- гем гемоглобина

Рис.5. Гем

гемоглобина и

схематичное изобра-

жение его

четвертичной струк-

туры

Утрата или изменение структурной организации белковой молекулы называ-

ется денатурацией. Она сопровождается изменением свойств белка и происходит

под воздействием различных физических и химических факторов (например, тем-

пературы, радиации, гормонов и др.). Если утрачена четвертичная, третичная или

вторичная структура, то

возможно их восстановление или ренатурация. И в этом

случае речь идёт об обратимой денатурации. Если же нарушения коснулись и пер-

вичной структуры, то ренатурация невозможна и это уже необратимая денатура-

ция.

Садчикова Е.В., Селезнева И.С. Химический состав клетки

ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005

Стр. 19 из 42

Классификация белков

Ввиду огромного числа белков, функционирующих в живых организмах, не

существует единой их классификации. Существует несколько классификаций; в

основу каждой из них положен какой-либо признак, по которому белки объединя-

ют в группы.

1. По степени сложности строения белки делят на простые и сложные. Про-

стые или однокомпонентные белки состоят

только из белковой части и при

гидролизе дают аминокислоты. К сложным или двухкомпонентным относят

белки, в состав которых входит протеин и добавочная группа небелковой при-

роды, называемая простетической. В качестве простетической группы могут

выступать липиды, углеводы, нуклеиновые кислоты. В этом случае сложные

белки называют липопротеидами (липопротеиды плазмы), гликопротеидами (γ-

глобулин),

нуклеопротеидами (рибосомы и РНК-содержащие вирусы), фосфо-

протеидами (казеин) и металлопротеидами (гемоглобин, цитохром).

2. По форме белковой молекулы белки разделяют на две группы: фибриллярные

(волокнистые) и глобулярные (корпускулярные).

3. По отношению к условно выбранным растворителям выделяют альбумины и

глобулины. Альбумины очень хорошо растворяются в воде и в концентрирован-

ных солевых

растворах. Для них характерна растворимость в водном растворе

сульфата аммония (NH

)

с концентрацией, превышающей 50% от насыще-

ния белкового раствора. Глобулины не растворяются в воде и в растворах солей

умеренной концентрации. При 50 %-ной концентрации сульфата аммония в

белковом растворе глобулины полностью выпадают в осадок.

Свойства белков

Физико-химические свойства белков зависят, главным образом, от боковых

радикалов аминокислотных остатков. Различают физические, химические и

биоло-

гические свойства белков.

Физические свойства белков. Белки – кристаллические вещества, как пра-

вило, белого цвета (есть и окрашенные белки, например, гемоглобин), имеющие

большую молекулярную массу – от 6000 до нескольких сотен Да. Благодаря боль-

шим размерам молекул белки образуют в воде коллоидные растворы. Раствори-

мость белков определяется их аминокислотным составом, особенностями органи-

зации

молекулы и свойствами растворителя. Например, альбумины растворимы в

воде и в слабых растворах солей, а коллаген и кератины нерастворимы в большин-

стве растворителей. Стабильность растворам белков придают заряд белковой моле-

кулы и ее гидратная оболочка. Кислотность среды (рН) влияет на заряд белка, а,

Садчикова Е.В., Селезнева И.С. Химический состав клетки

ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005

Стр. 20 из 42

следовательно, и на его растворимость. В изоэлектрической точке растворимость

белка наименьшая. Белки способны адсорбировать на своей поверхности низкомо-

лекулярные органические соединения и неорганические ионы. Это свойство предо-

пределяет транспортные функции отдельных белков.

Химические свойства белков исключительно разнообразны, поскольку бо-

ковые радикалы аминокислотных остатков содержат различные функциональные

группы

(-NH

, -СООН, -ОН, -SH и др.). Характерной для белков реакцией является гидро-

лиз пептидных связей. Благодаря наличию и амино-, и карбоксильных групп белки

обладают амфотерными свойствами.

Биологические свойства белков – это функции белков в организме.

Функции белков

 Структурная (строительная): белки входят в состав биологических мембран,

мембранных и немембранных органелл клетки, обладают способностью

образо-

вывать волокна. Например основу кожи, хрящей и сухожилий составляет фиб-

риллярный белок коллаген, связок – эластин. Химический состав волос, ногтей

(когтей) и перьев млекопитающих и птиц определяется в основном кератином.

Шелковые нити и паутина построены из белка фиброина.

 Двигательная или сократительная: на молекулярном уровне белки обеспечи-

вают движение хромосом

и сперматозоидов, на других уровнях – движение про-

стейших, двигательные реакции у растений и клеток, сокращение скелетных

мышц у многоклеточных животных (тубулин микротрубочек, мышечные белки

актин и миозин). В механическом процессе сокращения затрачивается химиче-

ская энергия.

 Энергетическая: белки не запасаются, как источник энергии, но в экстремаль-

ных условиях могут распадаться

с высвобождением энергии. Теряя аминогруп-

пы (дезаминируясь), белки становятся источником энергии в то время, когда в

клетках наступает истощение углеводных и липидных ресурсов.

 Каталитическая: все биохимические реакции в клетке катализируются белка-

ми особой группы – ферментами (энзимами). Каждая реакция обеспечивается

собственным ферментом, вследствие чего ускоряется, как минимум, в 1 млн.

раз. Например

, липаза расщепляет жиры, амилаза – крахмал. Ферменты локали-

зуются в митохондриях, цитоплазме, лизосомах и на мембранах клеток и орга-

нелл.

 Гормональная: среди гормонов есть вещества белковой природы, регулирую-

щие обмен веществ внутри клеток и интегрирующие обмен в различных клетках