Шендрик А.Н. Химия белка. Структура, свойства, методы исследования

Подождите немного. Документ загружается.

протекающих в клетке реакций. К примеру в простом одноклеточном

образовании постоянно и одновременно осуществляются до 2-х тысяч

реакций. Сама такая клетка, например E. Coli, состоит примерно из 5-ти

тысяч различных молекул, не считая воду. Из этих 5-ти тысяч молекул на

долю белков приходится более 3-х тысяч В организме человека

насчитывается около 50000 разнообразных белков.

В настоящее время еще трудно оценить все многообразие белков в

биосфере. Ориентировочно, количество встречающихся в природе различных

по строению и функциям белков оценивается огромным числом: 10

- 10

которые обеспечивают существование около 1,5

видов живых организмов

различной сложности организации, начиная от вирусов и заканчивая

человеком.

Итак, что же такое белок? Различия в аминокислотном составе,

пространственном строении и функциях белков таковы, что пока трудно дать

абсолютно точный и однозначный ответ на поставленный вопрос. Наиболее

общее определение можно сформулировать примерно так. Белки (протеины)

- это высокомолекулярные (полимерные) соединения, в которых

аминокислоты (мономеры) последовательно соединены друг с другом в

полимерную цепочку посредством пептидных (амидных) связей.

Все полимерные образования (независимо от того природного они

происхождения или синтетического), мономерные звенья в которых

представлены аминокислотами объединены общим названием - полипептиды

или пептиды. Если пептид содержит в цепи более 50 мономерных звеньев его

относят к белкам. Полипептиды с меньшим числом звеньев относят к

пептидам. Эта граница выбрана условно и произвольно.

Белки отличаются друг от друга по структуре и функциям. Каждый из

них обладает некоторыми, присущими только ему характерными

особенностями. Вместе с тем белки имеют и ряд следующих присущих им

общих признаков

Элементный состав.

Характерной особенностью элементного состава белков является довольно

постоянное содержание в них азота: 15-18% от сухой массы. Это позволяет

оценивать содержание белков в анализируемых образцах, умножая

количество найденного в них белкового азота на коэффициент 6.25.

Значительные отклонения по содержанию азота (до 30%) наблюдаются для

таких белков, как протамины. Содержание других элементов в белковых

молекулах колеблется в следующих пределах:

¾ углерод 51 - 55%

¾ кислород 21 - 23%

¾ водород 6 - 7%

¾ сера 0.3 - 2.5%

Только по элементному составу, без учета других характеристических

особенностей, белок нельзя отличить, однако, от других азотсодержащих

соединений биологического происхождения.

Основными компонентами белков являются L-аминокислоты. D-

аминокислоты в составе белков пока не обнаружены. Они встречаются в

природных пептидах.

Аминокислоты соединены в белках посредством пептидной связи.

Белки от пептидов отличаются большей молекулярной массой (ММ),

которая колеблется от нескольких тысяч до миллионов. Например:

¾ протамины - 4000 - 8000

¾ инсулин - 6300

¾ рибонуклеаза - 13700

¾ гемоглобин человека - 68 000

¾ каталаза - 240 000

¾ актомиозин - 5 000 000

Большие значения молекулярных масс белков отличают их от

природных пептидов, молекулярные массы которых не превышают, как

правило, 1000. Есть исключения. Например, полипептид глюкагон,

выделенный из поджелудочной железы, имеет ММ = 4000, а состоящие из D-

глютаминовой кислоты гомополипептиды в клетках таких бактерий как

картофельная и сенная палочка - до 50000. Следовательно, молекулярная

масса, являясь важной и характерной особенностью белков, не есть все же

достаточно строгим критерием для выделения белков из ряда природных и

искусственных пептидов по этому признаку.

Одним из уникальных свойств белков является склонность их к

денатурации - утрате ряда характерных физико-химических и биологических

свойств под действием неблагоприятных внешних факторов. Процесс

денатурации протекает без разрушения пептидных связей. Исключения

встречаются, однако, и здесь. Известно немало белков, которые отличаются

очень высокой устойчивостью к денатурации. Например, трипсин,

химотрипсин и др. Кроме того, белки способны изменять свои физико-

химические и биологические свойства и без денатурации. При этом они

сохраняются в нативной (активной) форме и выполняют свои функции в

живом организме.

Отличительной особенностью многих белков является их уникальная

каталитическая активность (белки-ферменты). Эти белки контролируют

практически все реакции в клетке.

Белки являются преобладающими компонентами клетки. В тканях

человека, например, они составляют до 45% от их сухой массы. Наряду с

этим, известны организмы и ткани, в которых содержание белка не

превышает 1-4%.

Белки легко осаждаются из растворов 10-% трихлоруксусной кислотой.

Это их свойство широко применяется в лабораторных исследованиях.

Способы разрушения тканей и клеток

Способы разрушения тканей и клеток условно можно разделить на 4-е

группы:

механические

химические

ферментативные

смешанные

Механические способы

Для разрушения клеток чаще всего применяют механические приемы

физического воздействия. Большинство животных клеток разрушаются при

механических нагрузках сравнительно легко. Значительно труднее

разрушаются растительные и бактериальные клетки из-за наличия у них

прочных клеточных стенок.

Физические методы разрушения клеток подразделяются в зависимости

от того, происходит ли оно под действием сил трения между клетками и

твердыми веществами (растирание клеток с твердыми материалами) или

гидродинамически (разрушение клеток в жидких средах).

Растирание клеток с твердыми материалами

Растирание клеток проводят с песком или другими абразивными

порошками. Для разрушения животных клеток этот метод используется

сейчас редко. Однако, его по прежнему применяют для разрушения

растительных и бактериальных клеток. Недостаток метода - растирание

может приводить к разрушению наиболее крупных клеточных органелл

(хлоропластов, например).

Хорошие результаты получаются при продавливании смешанных с

абразивными частицами клеток в различных прессах. Например, влажные

клетки с абразивными частицами помещают в трубку, а затем однократным

ударом по поршню создают скачок давления и продавливают клеточную

массу через отверстие диаметром около 0.25 мм. Модификацией этого

метода является продавливание клеток при отрицательных температурах.

Роль абразивных частиц выполняют в этом случае кристаллы льда. Иногда

клеточные оболочки разрушают путем многократного замораживания-

размораживания ткани.

Разрушение клеток в жидких средах

Клетки, находящиеся в суспензии, разрушают в блендерах - аппаратах

с быстро вращающимися или перемещающимися вдоль вертикальной оси

лопастями. В некоторых блендерах вместо лопастей используется поршень

или шары (гомогенизаторы). Лопасти блендеров вращаются с большими

скоростями (от нескольких тысяч до десятков тысяч об/мин). Режущие

лопасти блендеров заострены под прямым углом друг к другу. Стакан

блендера охлаждают льдом. Блендеры широко применяются для

фракционирования клеток.

Простые гомогенизаторы - это либо пестик, приводимый в движение

вручную (гомогенизаторы Доунса и Тенбрека) либо механически

(гомогенизатор Поттера-Эльвегейма) и стеклянный цилиндр. Необходимо,

чтобы пестик и цилиндр были хорошо подогнаны друг к другу по диаметру,

т.к. скорость растирания зависит не только от скорости вращения или

перемещения пестика, но и от соотношения диаметров пестика и цилиндра.

Разрушение клеток высоким давлением

Этот метод применяется в основном для разрушения микробных

клеток. Используют специальные прессы (френч-прессы), давление в

которых до достигает 10

Па. Конструкция этих прессов такова, что после

достижения предельного давления проводят его резкий сброс через

игольчатый клапан. В результате быстрого падения давления клетки

лопаются.

Разрушение клеток ультразвуком

При пропускании ультразвука через суспензию на клетки действует

изменяющееся с высокой частотой давление, которое и разрушает их.

Недостаток этого метода - выделение большого количествава тепла, что

приводит к денатурации многих белков. Кроме того возможно и разрушение

крупных, в том числе и белковых макромолекул.

Химические способы разрушения тканей и клеток

Ткани и клетки обрабатывают органическими растворителями и

детергентами (поверхностно-активные вещества), облегчающими их

разрушение. Для этих целей используют ацетон, этиловый спирт, глицерин,

толуол, этилацетат и т.д.

Наряду с химическими агентами, для разрушения клеток используют и

ферменты. Например, лизоцим «переваривает» клеточные стенки. Хорошо

«работают» выделяемые из клеток препараты, содержащие целлюлазу,

хитиназу, липазу и др.

ГЛАВА 1

1.1 АМИНОКИСЛОТЫ.

1.1.1 Распространение, структура и свойства аминокислот

В природе встречается около 300 аминокислот. Степень их распро-

странения в биосфере весьма различна. Белковые аминокислоты - универ-

сальные компоненты всех клеток. Остальные встречаются реже. Многие из

них найдены только в отдельных организмах. Некоторые - только в каком-

нибудь одном.

В клетках аминокислоты встречаются либо в виде отдельных молекул

в протоплазме, либо ковалентно связанны в составе пептидов и белков, ко-

торые в подавляющем большинстве случаев образованы α-аминокислотами.

Общая структурная формула α-аминокислот может быть представлена

несколькими эквивалентными формулами, например:

HOOC C

HOOC R

HOOC

- расположение над плоскостью рисунка

- расположение за плоскостью рисунка

Каждая из этих структур изображает α-аминокислоту. α-Аминокислоты от-

личаются друг от друга структурой радикала R.

Из большого числа существующих в природе аминокислот в биосинте-

зе белков организмами используется, преимущественно, только 20. Это один

из примеров единства биосферы.

В составе белков встречаются и модифицированные аминокислоты.

Около 150 из них идентифицированы на данный момент. Химическая моди-

фикация происходит обычно уже после того, как исходная кислота включена

в состав белка. Особенно важной модификацией является окисление двух -

SH-групп цистеиновых остатков с образованием аминокислоты цистина, со-

держащей дисульфидную связь. Другие примеры модификации аминокислот:

пролин → гидроксипролин; лизин → гидроксилизин:

HOOCCH(NH

)-(CH

)

→ HOOCCH(NH

)CH

CH(OH)CH

и др.

1.1.2 Номенклатура аминокислот

Для белковых аминокислот широкое распространение получили триви-

альные названия. Происхождение этих названий различно, но в большинстве

случаев они связаны с происхождением или какими-либо специфичными

свойствами той или иной аминокислоты

Строгие названия в соответствии с правилами химической номенкла-

туры очень громоздки и практически не используются.

Поскольку пептидные цепи белков содержат, как правило, большое

число аминокислот, то передача этой последовательности даже посредством

относительно коротких тривиальных названий весьма неудобна. В связи с

этим были приняты вначале трехбуквенные сокращенные названия, а с 1968

комиссией IUPAC, были введены однобуквенные обозначения белковых

аминокислот (Eur. J. Bioch., 1968, V.5, №2). Далее мы приведем в таблицах

тривиальные, сокращенные и однобуквенные названия наиболее распростра-

ненных белковых аминокислот.

1.1.3 Классификация аминокислот

По химической структуре группы R аминокислоты подразделяются на:

алифатические;

гидроксилсодержащие;

серосодержащие;

ароматические;

кислые и амиды;

основные;

иминокислоты.

Алифатические аминокислоты

Название, свойства

глицин (гли, gly, G)

неполярная, нейтральная, заменимая

-СН

аланин (ала, ala, A)

неполярная, нейтральная, заменимая

-CH(CH

)

валин (вал, val, V)

неполярная, нейтральная, незаменимая

CH CH

лейцин (лей, leu, L)

неполярная, нейтральная, незаменимая

CH CH

изолейцин (иле, ile I)

неполярная, нейтральная, незаменимая

Гидроксилсодержащие аминокислоты

Название, свойства

-CH

серин (сер, ser, S)

полярная, нейтральная, заменимая

CH CH

треонин (тре, thr, T)

полярная, нейтральная, незаменимая

Серусодержащие аминокислоты

Название, свойства

-CH

цистеин (цис, cys, cySH, C)

полярная, заменимая

-CH

-S-CH

метионин (мет, met, M)

неполярная, нейтральная, незаменимая

Ароматические аминокислоты

Название, свойства

фенилаланин (фен, phe, F)

неполярная, нейтральная, незаменимая

тирозин (тир, tyr, Y)

полярная, заменимая

триптофан (три, trp, W)

неполярная, нейтральная, незаменимая

Кислые аминокислоты

Название, свойства

-CH

COOH

аспарагиновая кислота(асп, asp, D)

полярная, кислая, заменимая

C=O

аспарагин (асн, asn, N)

полярная, нейтральная, заменимая

-CH

COOH

глутаминовая кислота (глу, glu, E)

полярная, кислая, заменимая

C=O

глутамин (глн, gln, Q)

полярная, нейтральная, заменимая

Основные аминокислоты

R Название, свойства

NH C=NH

аргинин(арг, arg, R)

полярная, основная, незаменимая

NNH

гистидин (гис, his, H)

полярная, слабоосновная, незаменимая

-(CH

)

-NH

лизин (лиз, lys, K) полярная, основная, незаме-

нимая

Иминокислоты

R Название, свойства

CH-COOH

пролин(про, pro, P)

неполярная, нейтральная, заменимая