Различают 2 группы: простые и сложные (конъюгированные).

Введение в биохимию. Химическое строение, классификации и функции аминокислот. Физико-химические свойства белков. Структура белковой молекулы. Количественное определение белков.

Определение. Биологическая химия – это наука, которая изучает: 1) химическую природу веществ, входящих в состав живых организмов; 2) их превращения и 3) связь этих превращений с деятельностью клеток, тканей, органов и организма в целом.

Выделяют следующие основные признаки живой материи:

1) способность к метаболизму, т.е. обмену веществ и энергией;

2) сложность, высокий уровень структурной организации живой материи. Единицей биологической активности организма считается клетка: молекулы → мембраны, субклеточные органеллы → клетки → ткани → органы → организм;

3) изменчивость – способность к самостоятельному реагированию на воздействие окружающей среды изменением химического состояния и функционирования;

4) способность к точному воспроизведению за счет передачи наследственной информации.

Около 98% массы биосферы составляют четыре элемента – водород, кислород, углерод и азот. Они легко спаривают электроны и образуют прочные ковалентные связи. Малые размеры атомов этих элементов также способствуют образованию коротких, прочных химических связей. Молекулы с такими связями более устойчивы к действию физических и химических факторов. Большое значение имеет также способность перечисленных элементов образовывать кратные связи (двойные, тройные), благодаря чему они превосходят многие элементы по числу и разнообразию соединений с уникальными свойствами. В качестве примера приведем примерный химический состав клетки кишечной палочки E. coli (табл. 1).

Таблица 1.

. Химический состав бактерии Escherichia coli.

Компонент	Доля массы клетки, %	Число молекул на клетку	Число видов молекул
Неорганические компоненты клетки
Вода		4×1010
Неорганические ионы	1,0	2,5×108
Низкомолекулярные метаболиты и биорегуляторы
Моносахариды и производные	1,0	2,0×108
Аминокислоты и их производные	0,4	3,0×107
Нуклеотиды и производные	0,4	1,2×107
Липиды	1,0	2,5×107
Другие низкомолекулярные соединения	0,2	1,5×107	~300
Биополимеры
Белки		1,0×106	~3000
РНК		3,0×104	~1000
ДНК
Полисахариды		3,9×104
Фосфолипиды мембран		-
Всего		-	~3000

В пересчете на сухую массу в организме человека содержится С -50%, О – 20%, Н – 10%, N – 8,5%, Са – 4%, P – 2,5%, K – 1%, S – 0,8%, Na – 0,4%, Cl – 0,4%, Mg – 0,1%, Fe – 0,01%, Mn – 0,001%, J -0,00005%. При недостатке йода и фтора в воде и пище возникают гипотиреоз (эндемический зоб) и кариес зубов. При недостатке железа – железодефицитная анемия.

Элементы-органогены (С, О, N, H, P, S) образуют две группы органических веществ живых организмов – биополимеры и низкомолекулярные биорегуляторы.

По химическому составу тело человека и животных включает 5 основных классов веществ (для человека массой 65 кг): 1) белки 11 кг (17%); 2) жиры 9 кг (13,8%); 3) углеводы 1 кг (1,5%); 4) вода 40 кг (61,6%); 5) минералы 4 кг (6,1%).

В составе организмов присутствуют карбоновые кислоты, углеводороды, амины, спирты, альдегиды. В отдельные группы должны быть выделены вещества, присутствующие в тканях живых организмов в небольших количествах, но играющих первостепенную роль в регуляции обмена веществ: пептиды, гормоны, витамины, простагландины, кинины, нуклеарные регуляторные факторы и др.

Белки являются основными биополимерами клеток, за счет которых осуществляются практически все функции организма. Термин “белок” происходит от немецкого слова “Eiweib“, что означает яичный белок или вообще белок. Другое название - протеины, происходит от греческого слова “протос” - первичный.

Белки являются линейными неразветвленными полимерами построенными из аминокислот.. Информация о структуре белка закодирована в ДНК. Все живые организмы используют 20 идентичных аминокислот и, за некоторым исключением, имеют одинаковый генетический код.

Белки преимущественно состоят из 5 главных элементов: С – 50-55%, Н – 6-7,3%, О – 19-24%, N – 13-19%, S – 0-4%. Кроме вышеперечисленных, белки могут содержать также другие элементы, такие как P, Fe, Cu, I, Mg, Zn и др. В большинстве белков имеется постоянное содержание азота, равное 16%. Поэтому количество белков иногда выражают через азот: количество белка = содержание азота × 6,25. Раз­личные ткани отличаются по содержанию белков. В пересчете на сухую массу в селезенке 84%, в легких 82%, в мышцах 80%, а в костях 24-28% белков.

Белки относятся к высокомолекулярным соединениям, в состав которых входят сотни и даже тысячи аминокислотных остатков. Молекулярная масса белков колеблется от 6000 до 1000000 Да и выше в зависимости от количества отдельных полипептидных цепей в составе единой молекулярной структуры белка. Молекулярная масса пептидов меньше 6000 Да.

Для определения молекулярной массы белков используют следующие методы.

1. Химический метод требует точного знания количественного содержания аминокислоты в белке. Например, в простом белке содержится 0,6% триптофана с молекулярной массой 204. Тогда М.м. белка = 204×100/0,6= 34 000 Да. Применение ограничено.

1 Да (дальтон) весьма близок к массе атома водорода. 1000 Да = 1 кДа (килодальтон).

2. Электронная микроскопия. Точная навеска окрашивается осмиевой кислотой и подсчитывается количество частиц. Делят навеску на число частиц и находят массу одной молекулы.

3. Метод ультрацентрифугирования. В пробирке ультрацентрифуги создается центробежное ускорение, превышающее земное притяжение до 500000g. По мере перемещения молекул белка в таком центробежном поле они разделяются по молекулярной массе. При этом образуются границы белок-растворитель, которые регистрируют и рассчитывают скорость их перемещения. Вначале вычисляют константу седиментации белка (S), которая зависит от массы и формы белковой молекулы

, где:

ν – скорость перемещения границы белок-растворитель; ω – угловая скорость ротора (рад/с); r – расстояние от центра ротора до середины пробирки с раствором белка, см. Константа седиментации имеет размерность времени (ее выражают в секундах). Величина константы седиментации, равная 1∙10^-13 с принята за единицу и названа Cведбергом (S).

Величина молекулярной массы вычисляется по уравнению Сведберга.

где R – газовая постоянная, эрг/(моль·град); Т – абсолютная температура (по шкале Кельвина); S – константа седиментации; ρ – плотность растворителя; ϋ – парциальный удельный объем молекулы белка; D – коэффициент диффузии.

4. Гель-фильтрация и диск-электрофорез. Калибруют колонку, заполненную стандартными гранулами сефадекса (учитывается расстояние между гранулами и величина пор в гранулах), белками с известной молекулярной массой (рис. 2.2). Находят зависимость между элюционным объемом (Vэ) и молекулярной массой. Чем меньше молекулярная масса, тем больше элюционный объем (т.е. объем раство­рителя, с которым белок выходит из колонки).

Через калиброванную колонку пропускают неизвестный белок, определяют его элюционный объем и по калибровочному графику определяют молекулярную массу. В методе диск-электрофореза сравнивают не элюционные объемы, а электрофо­ретическую подвижность белков.

VэА А

 

 

VэВ В

 

 

VэС С

 

	lg молекулярной массы

М.м. А М.м. В М.м.С

 

Рис. 2.2. Калибровка хроматографической колонки

В настоящее время для определения молекулярной массы нативного (находящегося в структурном состоянии для выполнения функции) белка используют методы гельхроматографии или аналитического ультрацентрифугирования. Сочетание обоих подходов позволяет оценить как молекулярную массу белка, так и его протомеров. Однако эти методы не годны для решения современных задач протеомики. Точное определение массы белковых молекул осуществляется методом масс-спектрометрии после разделения белков методом изоэлектрофокусирования с последующим двумерным электрофорезом в полиакриламидном геле.

Различают 2 группы: простые и сложные (конъюгированные).

1. Простые белки (альбумин, кератин и др.) состоят только из аминокислот и делятся на:

а) фибриллярные белки имеют палочкообразную вытянутую форму, нерастворимы в воде и физически прочные (отношение длины молекулы к диаметру больше 10); они выполняют структурные и защитные функции;

б) глобулярные белки представляют собой компактные сферические молекулы, водорастворимы (отношение длины молекулы к диаметру не превышает 4); глобулярные белки выполняют динамические функции (ферменты, иммуноглобулины и транспортные белки гемоглобин и альбумины).

2. Сложные (конъюгированные) белки состоят из простого белка комбинированного с небелковым компонентом. Небелковая часть называется простетической группой (или конъюгированной группой). Белок без простетической группы называется апопротеином. Белковая часть с простетической группой называется холопротеином. Простетическая группа играет ключевую роль в функционировании белка.

Пищевая ценность белков определяется наличием незаменимых аминокислот. Согласно этой классификации белки делятся на 3 группы:

1. Полноценные белки – содержат 10 незаменимых аминокислот в необходимых пропорциях для обеспечения нормального роста (например, яичный белок, казеин молока).

2. Частично полноценные белки. Эти белки содержат сниженное количество одной или более незаменимых аминокислот и могут обеспечивать только умеренный рост (например, белок пшеницы и риса содержат недостаточное количество лизина, триптофана). Известно правило, что скорость синтеза белка зависит от незаменимой аминокислоты, концентрация которой наименьшая.

3. Неполноценные белки. Эти белки не содержат одну или более незаменимых аминокислот. Не могут обеспечить нормальный рост организма (например, желатин не содержит аминокислоту триптофан).

Аминокислоты являются структурной единицей белков. Аминокислоты содержат аминогруппу (-NH₂), карбоксильную группу (-СООН), атом водорода и боковую цепь, связанную с α-углеродным атомом. Одна из 20 аминокислот, пролин, является, иминокислотой (-NH-), остальные 19 являются α-аминокислотами.

В природе выявлено около 300 аминокислот. Из них 20 являются стандартными (протеиногенными) аминокислотами, которые обнаружены в структуре белков, полученных из различных организмов – животных, растений и микроорганизмов. Это - результат универсальной природы генетического кода, обеспечивающей включение 20 аминокислот при биосинтезе белков.

Классификация протеиногенных аминокислот по строению радикала: 1) алифатические (глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин, метионин, пролин; 2) ароматические (фенилаланин, тирозин, триптофан; 3) алифатические, содержащие гидроксильную группу (серин, треонин); 4) алифатические, содержащие сульфгидрильную группу (цистеин); 5) основные (лизин, аргинин, гистидин); 6) кислые (аспарагиновая и глутаминовая кислоты); 7) алифатические, содержащие карбоксамидную группу (аспарагин, глутамин).

Аминокислотные остатки в полипептидной цепи имеют сокращенные названия: аланин (ала, А), глицин (гли, G), валин (вал, V), лейцин (лей, L), изолейцин (иле, I), аспарагиновая кислота (асп, D), глутаминовая кислота (глу, E), серин (сер, S), треонин (тре, Т), цистеин (цис, С), метионин (мет, М), аргинин (арг, R), лизин (лиз, K), гистидин (гис, Н), пролин (про, P), фенилаланин (фен, F), тирозин (тир, Y), триптофан (три, W), аспарагин (асн, N), глутамин (глн, Q).

Существует несколько специальных классификаций аминокислот, основанные на структуре и химической природе, заменимости, путях метаболизма и т.д.