L-аланин D-аланин

COOH COOH

│ │

H₂N- C_α – H H - C_α – NH₂

│ │

CH₃ СН₃

Рис. 2. Графические формулы L- и Д-аланина.

Форма конфигурации имеет значение, так как ферменты оказывают действие лишь в том случае, если молекула находится в определенной конфигурации. Такая специфичность определяет то, что белки обычно целиком состоятиз L- аминокислот.

Все малые молекулы имеют свойства, обеспечивающие их способность к полимеризации: они содержат не менее двух химических групп, способных реагировать друг с другом с образованием ковалентной связи.

Основную массу клетки (за исключением воды) составляют крупные углеродсодержащие молекулы, или макромолекулы, число атомов в которых в 25-30 раз больше, чем в малых молекулах.

Все макромолекулы являются биополимерами и образуются путем соединения более мелких молекул – мономеров в линейные структуры прочными ковалентными связями. Синтез сопровождается выделением молекул воды (дегидратацией), но этот процесс является сложным, идущим в присутствии ферментов и не сводится к простому отщеплению воды.

К биополимерам относятся белки, нуклеиновые кислоты и некоторые полисахариды. Мономерами биополимеров являются разные химические группировки: аминокислоты – в белках, нуклеотиды – в нуклеиновых кислотах и моносахара – в полисахаридах. Линейная струк-

тура полимеров представляют собой макромолекулу, построенную из повторяющихся одинаковых мономеров в, так называемый, остов молекулы. Мономеры, соединяются: в белках – пептидной связью, в нуклеиновых кислотах - 3'-5'- фосфодиэфирной связью, в полисахаридах – 1,4- гликозидной связью.

Полимеры могут быть регулярными или нерегулярными. Регулярные полимеры содержат один (редко два) типа мономеров (полисахариды). Нерегулярные полимеры содержат 4 типа мономеров (нуклеиновые кислоты) или 20 типов (белки), кроме того, порядок расположения мономеров в нерегулярных полимерах сильно различается у разных молекул.

Синтез нерегулярных полимеров носит матричный характер и требует участия специального механизма, обеспечивающего выбор и размещение мономеров в полимере.

Глава. 2. Информационные макромолекулы

Белки и нуклеиновые кислоты – это биополимеры, которые обеспечивают хранение, передачу и реализацию генетической информации в живом организме и, следовательно, все жизненные проявления в живой системе, поэтому их относят к информационным макромолекулам.

Часть I. Глава 3. Белки

Белки - органические соединения, высокомолекулярные природные биополимеры. Белки составляют около половины массы сухих веществ клетки. Видовой состав белков живого организма очень высок: в клетке находятся сотни различных видов этих макромолекул.

В состав белков входят следующие элементы: углерод (50-54%), азот (15-18%), кислород (20-23%), водород (6-8%) и сера (до 2,5%). Таким образом, большую часть массы белков составляют углерод, азот, кислород и водород. Это объясняется тем, что:

1. Все 4 элемента легко образуют ковалентные связи;

2. Они самые легкие среди элементов, поэтому ковалентные связи являются очень сильными, так как их прочность обратно пропорциональна атомным массам элементов;

3. Углерод, азот и кислород образуют и одинарные и двойные свя- зи, что обеспечивает разнообразие свойств белка;

4. Углерод в белках образует каркасы разных форм и конфигураций: ответвления и трехмерные структуры.

Белки также называют протеинами, подчеркивая этим важное значе- ние этого класса соединений. Термин предложен Барцелиусом в 1838г. и оз- начает первостепенный (греч. proteios)

3.1. Аминокислоты – мономеры белка

Мономерами белков являются аминокислоты. Всего в природе найденооколо 300 аминокислот, однако в состав белков входит лишь 20, называемых белковыми или протеиновыми.

Белковые аминокислоты являются α-аминокислотами, имеющи- ми общий план строения: центральный углерод (α-углерод) соединен с карбоксильной (-СООН) и амидной (-NH₂) группами, водородом и радика- лом. Различия между аминокислотами определяют радикалы

R

│

H₂ N — С_α — СООН

│

H

Радикалы (боковые группы) аминокислот различаются по структуре, электрическому заряду и растворимости, обеспечивая свойства аминокис- лот. В зависимости от способности растворятся в воде, аминокислоты делятся на неполярные (гидрофобные) и полярные (гидрофильные) (рис.3; табл.2).

У неполярных аминокислот электроны радикалов равномерно рас- пределены между атомами (CH₄). Неполярные радикалы аминокислот (гидрофобные) имеют алифатические радикалы, то есть, радикалы, у которых атомы углерода соединены в прямые или разветвленные, но не замкнутые цепи (аланин, валин, лейцин, изолейцин, пролин и метионин) и ароматические кольца (фенилаланин и триптофан). Радикалы таких аминокислот в воде стремятся друг к другу или к другим гидрофобным молекулам, в результате чего поверхность соприкосновения их с водой уменьшается, следовательно, они полностью нерастворимы в воде.

У полярных аминокислот возникает дипольный момент из-за неравномерного распределения зарядов между атомами молекулы; в результате на одних атомах имеется небольшой несбалансированный положительный, на других – отрицательный заряды (молекула Н₂О). Полярные аминокислоты делятся на полярные с незаряженными радикалами, и полярные с радикалами, заряженными положительно или отрицательно.

Полярные незаряженные радикалы растворяются в воде, т.к. в их состав входят полярные функциональные группы, образующие водородные связи с водой. К аминокислотам, имеющим в своем составе

Таблица 2.

Классификация основных аминокислот белков по их химическому

строению

Рис.3. Графические формулы 20 наиболее часто встречаемых радикалов

(Из: Рис, Стернберг, 1988)

такие радикалы, относятся серин, треонин, тирозин, имеющие гидроксильные группы (СООН), аспарагин и глутамин, содержащие амидные группы (СО - NH₂) и цистеин с его тиольной группой (SH-группа) (при рН около 7,0 практически не диссоциируют).

Полярные отрицательно заряженные радикалы имеют дополни- тельную карбоксильную группу, которая при рН около 7,0 (рН нормально функционирующий клетки) диссоциирует с образованием СО^- и Н⁺. Следовательно, эти радикалы являются анионами и они входят в состав глутаминовой и аспарагиновой кислот. Ионизированные группы этих аминокислот называются, соответственно, глутаматом и аспартатом.

Полярные положительно заряженные радикалы имеют допол- нительную заряженную группу: вторая аминогруппа (-NH₂), способная присоединять Н⁺ у лизина, гуанидиновая группа, приобретающая поло- жительный заряд у аргинина, и 6,9-имидазольная группа у гистидина, которая при колебании рН от 7,4 способна присоединять протон, теряя положительный заряд в зависимости от концентрации протонов (Н⁺) и гидроксильных групп (ОН¯) в среде. Таким образом, гистидин становится либо катионом, либо нейтральной аминокислотой.

Полярные заряженные радикалы обладают наибольшей растворимостью в воде.

Таким образом, характеризуя аминокислоты (табл.2), следует подчеркнуть следующие моменты:

1 - аминокислоты существуют преимущественно в форме биполярных ионов;

2 - аминокислоты ассиметричны и образуют две изомерные формы: D и L (напомним, что белки состоят обычно из L-аминокислот, за исключением глицина, который не имеет изомерных форм); L-формы аминокислот могут переходить в D-формы. Этот переход называется рацемизацией. L-форма аспартата дентина эмали у млекопитающих может переходить в D-форму со скоростью 0,01% в год; таким образом, по содержанию D-формы аспартата дентина эмали можно определить возраст человека;

3 -аминокислоты отличаются друг от друга химической структурой боковых групп - радикалов. Они выступают из основной цепи и формируют поверхность полимера, определяя химические и физические свойства белков (рис.3):

а - алифатические аминокислоты выступают в роли связующего звена в цепи белка (глицин), а также важны для гидрофобной стабилизации белка и формирования центров связывания ферментов;

б - гидроксиаминокислоты за счет ОН-группы имеют слабокислые свойства; способны к образованию эфиров фосфорной и органических кислот и служат местом присоединения сахара в гликопротеидах;

в - дикарбоксильные аминокислоты находятся в диссоциированном состоянии при нейтральном рН и обеспечивают присутствие отрицате- льного заряда на поверхности белка;

г - амиды дикарбоксильных кислот полярные и участвуют в образова- нии водородных связей;

д - серосодержащие аминокислоты (в частности цистеин) обеспечива- ют образование дисульфидной (S-S) связи в результате самопроизвольного окисления с образованием двойной аминокислоты цистина и формированию поперечных –S-S-связей между пептидными цепями (рис.4);

е - основные аминокислоты с катионообразующими группами ради- калов несут положительный заряд, составляют часть активного центра многих ферментов и могут связывать ионы металлов;

ж - иминокислота (пролин): его боковая цепь замыкается на амино- группу, что придает ей жесткую конформацию. Присутствие пролина оказывает существенное влияние на характер пространственной кон- формации полипептида (рис.5);

Рис.4. Дисульфидные связи в структуре белка (на примере инсулина)(Из:

Северин.2007)

Рис.5. Графическая формула аминокислоты пролина

4 -ароматические аминокислоты имеют легко диссоциирующие про- тоны, доноры протонов в водородных связях и функциональная группа в ферментативном катализе. Образуют гидрофобные связи и легко связываются с другими молекулами;

5 - алифатические аминокислоты: аланин, валин, лейцин, изолейцин, пролин, метионин, фенилаланин, триптофан являются неполярными (гидрофобными). Их радикалы в воде стремятся друг к другу или к другим гидрофобным молекулам; поверхность их соприкосновения с водой уменьшается;

6 - серин, треонин, тирозин (с -ОН группой в радикале), аспарагин, глутамин (с амидной группой в радикале) и цистеин (с тиольной группой) являются полярными незаряженными. Их радикалы растворяются в воде лучше, чем гидрофобные связи с водой;

7 - аспарагиновая и глутаминовая кислоты (имеют в радикале допол- нительную карбоксильную группу, диссоциирующуюся на СОО^- и Н+) являются полярными отрицательно заряженными с радикалами анионами, а лизин, аргинин, гистидин - полярными положительно заряженными с радикалами катионами и обладают высокой степенью растворения в воде.

Свойства белков определяются этим разнообразием стандартных аминокислот.

Кроме 20 основных аминокислот у некоторых белков встречаются редкие (модифицированные) аминокислоты, которые образуются из про- теиновых, после их включения в состав белковой молекулы. Модификация заключается в введении дополнительных функциональных групп в струк- туру аминокислот и придает белкам свойства необходимые для выполнения специфичных функции (табл.3). Например, в коллагене содержатся 4-гидроксипролин и 5-гидроксилизин, производные пролина и лизина. Гидроксилирование (введение гидроксильной группы) пролина и лизина необходимо для стабилизации тройной спирали и фибриллы коллагена и требует присутствия витамина С, дефицит которого (цинга) приводит к нарушению гидроксилирования и образованию менее прочных коллагеновых волокон. Это вызывает хрупкость и ломкость сосудов и, как следствие, кровоточивость десен и выпадение зубов. Тироксин (Т₄), трийодтиронин (Т₃) входят в состав гормонов щитовидной железы, и являются иодированными производными тирозина; цистин образуется при окислении двух тиогрупп цистеиновых остатков, с образованием дисульфидного мостика; играет важную роль в образовании иммуноглобулинов, инсулина; γ-карбоксиглутаминовая кислота содержит дополнительную - СОО-группу, что обеспечивает максимальное связывание ионов Са²⁺ белком плазмы крови тромбином для его активации в процессах свертывания крови. В случае дефицита витамина К модификация глутаминовой кислоты (ее карбокси- лирование) не происходит, γ-карбоксиглутаминовая кислота не образуется, что замедляет процесс свертывания крови.

Кроме основных протеиновых 20 аминокислот в состав белков могут входить и другие аминокислоты (рис.6). Так, в состав ряда каталитически активных белков (глицин-редуктаза, глутатион-пероксидаза и др.) всех организмов от архибактерий до человека обнаружена аминокислота селеноцистеин, которая является редкой, но функционально важной. В связи с этим она названа 21-й белковой аминокислотой. В белках рибонуклеиновых комплесов выделена аминолимонная аминокислота (Франкфуртский университет, Германия). Она обнаружена в клетках организмов разного систематического положения; бактерий, тимуса теленка, селезенки коровы и человека. Функции ее не выяснены. Процесс включения таких аминокислот в состав белков имеет свои особенностии называется перекодирование трансляции.

Н Н₂N – СН - СООН

│ │

Н₂N ― С ― СООН СН₂

│ │

Н ― С ― СООН SeH

│

Дата добавления: 2015-06-04