Белки – основа жизни (стр. 2 из 6)

К концу 80-х гг. XIX века из белковых гидролизатов было выделено уже 19 аминокислот и стало медленно укрепляться мнение, что сведения о продуктах гидролиза белков несут важную информацию о строении белковой молекулы. Тем не менее, аминокислоты считались обязательным, но неглавным компонентом белка.

Немецким химиком Э.Фишер была разработана пептидная теория, получившая общее признание во всем мире.

Немаловажно, что Фишер построил план исследования, резко отличающийся от того, что предпринималось раньше, однако учитывающий все известные на тот момент факты. Прежде всего он принял, как наиболее вероятную гипотезу о том, что белки построены из аминокислот, соединенных амидной связью:

Рис.2. Амидная связь по представлению Фишера.

Такой тип связи Фишер назвал (по аналогии с пептонами) пептидной. Он предположил, что белки представляют собой полимеры аминокислот, соединенных пептидной связью. Доказывая пептидный тип соединения аминокислотных остатков. Э. Фишер исходил из следующих наблюдений. Во-первых, и при гидролизе белков, и при их ферментативном разложении образовывались различные аминокислоты. Другие соединения было чрезвычайно трудно описать а еще труднее получить. Кроме того Фишеру было известно, что у белков не наблюдается преобладания ни кислотных, ни основных свойств, значит, рассуждал он, амино- и карбоксильные группы в составе аминокислот в белковых молекулах замыкаются и как бы маскируют друг друга (амфотерность белков, как сказали бы сейчас).

Решение проблемы строения белка Фишер разделил, сведя ее к следующим положениям:

1) Качественное и количественное определение продуктов полного гидролиза белков.

2) Установление строения этих конечных продуктов.

3) Синтез полимеров аминокислот с соединениями амидного (пептидного) типа.

4) Сравнение полученных таким образом соединений с природными белками.

В дальнейшем пептидная теория Фишера была многочисленно пересмотрена и дополнена.

2. Аминокислотный состав белка

Общие структурные особенности

Белки являются полимерными молекулами, мономерами которых являются аминокислоты. Общее число встречающихся в природе аминокислот достигает 100, однако некоторые из них обнаружены лишь в определенном сообществе организмов или даже в одном их виде. Нами известно 20 α-аминокислот , постоянно встречающихся во всех белках. Но все они обладают общей структурной особенностью – наличием амино- и карбоксильной групп, соединенных с одним и тем же α-углеродным атомом. R – радикал аминокислот – в простейшем случае представлен атомом водорода (глицин), но может иметь и более сложное строение.

Рис.3. общая структурная формула α-аминокислот.

α-аминокислоты – кристаллические вещества, растворимые в воде. Многие из них обладают сладким вкусом. Это свойство нашло отражение в названии первого гомолога в ряду α-аминокислот – глицина, явившегося также первой α-аминокислотой, обнаруженной в природном материале.

Первой открытой аминокислотой был аспаргин, выделенный из сока спаржи (asparagus).

В водных растворах при нейтральном значении pH α-аминокислоты существуют в виде биполярных ионов.

В отличие от 19 остальных α-аминокислот, пролин – это единственная аминокислота, радикал которой связан как с α-углеродным атомом , так и с аминогруппой, в результате чего молекула приобретает циклическую структуру. Особенно богат пролином основной белок соединительной ткани — коллаген. В составе коллагена пролин, чередуясь с гидроксипролином способствует созданию стабильной трёхспиральной структуры коллагена, придающей молекуле прочность.

19 из 20 аминокислот содержат в α-положении асимитричный атом углерода, с которым связаны 4 разные замещающие группы. В результате эти аминокислоты в природе могут находиться в двух разных изомерных формах – L иD. Исключение составляет глицин, который не имеет ассиметричного α-углеродного атома, так как его радикал представлен только атомом водорода. В составе белков присутствуют только L-изомеры аминокислот.

Чистые L- или D-стереоизомеры могут за длительный срок самопроизвольно и неферментативно превращаться в эквимолярную смесь L- и D- изомеров. Это процесс называют рацемизацией. Рацемизация каждой L-аминокислоты при данной температуре идет с определенной скоростью. Это обстоятельство можно использовать для установления возоаста людей и животных. Так, в твердой эмали зубов имеется белок дентин, в котором L-аспартат переходит в D-изомер при температуре тела человека со скоростью 0,01» в год. В период формирования зубов в дентине содержится только L-изомер, поэтому по содержанию D-аспартата можно рассчитать возраст обследуемого.

В медико-биологическом значении, α-аминокислоты участвуют в азотистом обмене, многие из них используются в качестве лекарственных средств. К примеру, глицин улучшает метаболические процессы в тканях мозга, оказывает положительное действие при мышечной дистрофии. Глутаминовая кислота применяется для лечения заболеваний центральной нервной системы, метионин и гистидин – лечения и предупреждения заболеваний печени, цистеин – глазных болезней.

2.1.Классификация аминокислот по химическому строению радикалов

По химическому строению аминокислоты делятся на алифатические, ароматические и гетероциклические (табл.1).

В составе алифатических радикалов могут находиться функциональные группы, придающие им специфические свойства: карбоксильная (-COOH), амино (-NH2), тиольная (-SH), амидная (-CO-NH2),

гидроксильная (-OH) и гуанидиновая группы.

Также общей чертой всех 20 аминокислот в белках организма человека можно сгруппировать по способности их радикалов растворяться в воде. Радикалы можно выстроить в непрерывный ряд, начинающийся полностью гидрофобными и заканчивающийся сильно гидрофильными.

Растворимость радикалов аминокислот определяется полярностью функциональных групп, входящих в состав молекулы (полярные группы притягивают воду, неполярные её отталкивают).

Наибольшей растворимостью в воде обладают полярные заряженные радикалы аминокислот.

2.2.Модифицированные аминокислоты присутствующие в белках

Непосредственно в синтезе белков организма человека принимают участие только 20 аминокислот. Однако в некоторых белках имеются нестандартные модифицированный аминокислоты – производственные одной из этих 20 аминокислот. Например, в молекуле коллагена (фибриллярного белка межклеточного матрикса) присутствуют гидроксипроизводные лизина и пролина – 5-гидроксилизин и 4-гидроксипролин. Модификация аминокислотных остатков осуществляется уже в составе белков, т.е только после окончания синтеза.

Рис.1. Модифицированные кислоты, найденные в составе белков.

Введение дополнительных функциональных групп в структуру аминокислот придает белкам свойства, необходимые для выполнения ими специфических функций. Так, γ-карбоксиглутаминовая кислота входит в состав белков, участвующих в свёртывании крови, и две близко лежащие карбоксильные группы в их структуре необходимы для связывания белковых факторов с ионами Ca2+. Нарушение карбоксилирования глутамата приводит к снижению свёртываемости крови.

2.3.Стереоизомерия

Принцип построения α-аминокислот, т.е нахождение у одного и того же атома углерода двух различных функциональных групп, радикала и атома углерода, уже сам по себе предопределяет хиральность α-атома углерода. Исключение составляет простейшая α-аминокислота глицинH2NCH2COOH , не имеющая углеводородного радикала R и соответственно центра хиральности.

Большинство α-аминокислот содержит в молекуле один ассиметричный атом углерода и существует в виде двух оптически активных энантиомеров и одного оптически неактивного рацемата.

Почти все природные α-аминокислоты принадлежат к L-ряду.

α-Аминокислоты – изолейцин, треонин, 4-гидроксипролин – содержат в молекуле по два центра хиральности.

Эти аминокислоты могут существовать в виде четырех диастереомеров, представляющих собой две пары энантиомеров, каждая из которых образует рацемат. Из этих четырех стереоизомеров для построения белков человеческого организма используется только один.

Использование для построения белков человеческого организма только одного вида стереоизомеров α-аминокислот , а именно L-энантиомеров, имеет важнейшее значение для формирования пространственной структуры белков. С этим непосредственно связана стереоспецифичность действий ферментов, построенные из α-аминокислот вступают во взаимодействие только с теми субстратами, которые также имеют определенную конфигурацию.

α-Аминокислоты D-ряда называют «неприродными», так как они не используются для построения белков человеческого организма. Однако D-α-аминокислоты встречаются в составе пептидов, продуцируемых микроорганизмами, например в антибиотиках (грамицидин, актиномицин, полимиксин), а также в составе биополимеров клеточной стенки бактерий, например остаток D-глутаминовой кислоты – в оболочке бактерий сибирской язвы. Против этого вида бактерий бессильны расщепляющие ферменты человека и животных.

α-Аминокислоты, относящиеся к разным стереохимическим рядам, различаются по вкусу. Так, D-глутаминовая кислота безвкусна, а L-глутаминовая кислота имеет вкус мяса. Поэтому L-глутаминовую кислоту, получаемую путем гидролиза клейковины пшеницы, применяют в виде глутамата натрия в качестве вкусовой добавки к пишевым концентратам. Сладкий вкус имеют, как правило, α-аминокислоты D-ряда: Валин, лейцин, треонин, метионин, аспаргиновая кислота, тирозин, триптофан, гистидин. В то же время их энантиомеры либо безвкусны, либо обладают горьким вкусом. В этом отношении α-аминокислоты привлекают внимание как возможные заменители сладких веществ углеводной природы в связи с проблемой диабета.