Молекулярная масса белков колеблется в широких пределах: от нескольких тысяч дальтон (инсулин – 5700) до сотен миллионов (белок вируса гриппа – 322∙106). Форма белковых молекул бывает глобулярная (шаровидная) и фибриллярная (нитевидная), рис.2.1.
Форма белковых молекул изменяется под влиянием различных факторов: рН, температуры среды, ионной силы, природы растворителя, концентрации раствора.
Рис. 2.1. Глобулярные и фибриллярные белки.
А. В глобулярных белках полипептидная цепь свернута так, что образуется компактная структура. Эти белки обычно растворимы в водной среде.
Б. В кератине, фибриллярном белке шерсти, полипептидные цепи вытянуты вдоль одной оси. На рисунке показаны три молекулы кератина, навитые одна на другую наподобие каната. Фибриллярные белки нерастворимы в воде.
Большинство белков растворяется в воде. Они образуют лиофильные коллоидные растворы. Молекулы белков имеют большие размеры и не проходят через поры полупроницаемых мембран.
Молекулярно-кинетические свойства коллоидных растворов белков связаны с размерами и перемещением мицелл в среде, рН раствора и т.д. Белки имеют низкий коэффициент диффузии, низкое осмотическое давление, высокую относительную вязкость и большую степень набухания – белки связывают до 80-90% всей воды организма.
Вода обеспечивает формирование структуры белков. Общее количество связанной воды составляет в миоглобине, лизоциме, цитохроме около 22% от общей массы белка. Под влиянием различных факторов белки могут выпадать из коллоидных растворов в осадок (коагулировать); это легче происходит в изоэлектрической точке белка.
Коагуляция бывает обратимая, когда нарушается в коллоидной частице только сольватная оболочка и необратимая, когда произошли глубокие нарушения структуры белковой молекулы. Необратимую коагуляцию называют денатурацией. Она вызывается кипячением, действием солей тяжелых металлов, алкалоидов, минеральных кислот и т.д.
Кислотно-щелочные свойства белков связаны с катионообразующими (-NH3+) и анионобразующими (-COO-) группами. Суммарный заряд молекулы можно представить как:
Знак заряда зависит от соотношения аминных и карбоксильных групп, соответственно различают белки кислые, нейтральные и щелочные (основные).
Аминокислоты
Для изучения аминокислотного состава белков пользуются кислотным (HCl), щелочным (NaOH) и ферментативным гидролизом. При гидролизе чистого белка высвобождается до 20 различных α-аминокислот. Все другие аминокислоты, открытые в тканях животных, растений и микроорганизмов, их свыше 200, существуют в свободном состоянии или же в составе коротких пептидов или комплексов с другими органическими веществами.
Способы получения аминокислот:
1.Гидролиз из соответствующих белков.
2.Методом химического синтеза, в том числе с использованием иммобилизованных ферментов.
3.Методом микробиологического синтеза. Таким способом производят аминокислоты для нужд животноводства, – это многотоннажный промышленный способ.
α-аминокислоты представляют собой производные карбоновых кислот, у которых один атом водорода, у α-углерода замещен на аминогруппу (-NH2):
жирная кислота α-аминокислота
Все аминокислоты, входящие в состав природных белков, являются α-аминокислотами.
Общим свойством аминокислот является их амфотерность, т.е. каждая из них содержит, как минимум, одну кислую и одну основную группу (исключение составляет пролин и его производное гидроксипролин, являющиеся иминокислотами).
Общий тип строения α-аминокислот может быть представлен в виде следующей формулы:
Аминокислоты отличаются друг от друга химической природой радикала R, представляющего группу атомов в молекуле аминокислоты, связанную с α-углеродным атомом и не участвующую в образовании пептидной связи при синтезе белка.
Почти все α-амино- и α-карбоксильные группы участвуют в образовании пептидных связей белковой молекулы, теряя при этом свои специфические для свободных аминокислот кислотно-основные свойства. Поэтому все разнообразие особенностей структуры и функции белковой молекулы связано с химической природой и физико-химическими свойствами радикалов аминокислот.
Все аминокислоты – бесцветные кристаллические вещества, на вкус сладковатые или кисло-сладкие.
Большинство аминокислот хорошо растворимо в воде. В тканях организма, в клетках, в крови среда слабощелочная – рН 7,3, поэтому карбоксильные группы находятся в форме R-COO-, а аминные – в форме R-NH3+ (в протонированной форме), поэтому правильная ионная форма аминокислоты:
то есть амфиона (цвитериона) (в пределах рН 4-9).
Аминокислоты в виде недиссоциированных молекул:
т.е. в неионизированной форме приводятся для удобства восприятия. В кислой среде аминогруппа присоединяет протон, получает положительный заряд и под действием электрического тока движется к катоду:
В щелочной среде аминокислота ведет себя как кислота и диссоциирует по такой схеме:
В этом случае при пропускании тока через раствор ионизированная молекула аминокислоты движется к аноду.
Для каждой аминокислоты существует своя изоэлектрическая точка (ИЭТ), т.е. такое состояние, при котором сумма положительных зарядов равна сумме отрицательных зарядов и под действием электрического тока аминокислота не движется ни к аноду, ни к катоду. Для моноаминомонокарбоновых кислот ИЭТ будет близка к реакции нейтральной среды, моноаминодикарбоновых - к кислой и диаминомонокарбоновых – к щелочной.
Для определения количественного содержания аминокислот важное значение имеют следующие методы:
1. Формольное титрование – оно основано на способности формальдегида реагировать с аминогруппой в результате чего аминокислота превращается в основание Шиффа. В этой реакции аминогруппа аминокислоты блокируется остатком формальдегида, а карбоксильная группа не затрагивается и может быть оттитрована щелочью:
2. Реакция с азотистой кислотой – при действии азотистой кислоты аминогруппа разрушается, при этом выделяющийся азот собирают и по его количеству рассчитывают содержание аминокислоты (метод Ван-Слайка) - газометрический метод:
диазосоединение оксикислота
3.Нингидриновый метод определения широко применяется:
а) при хроматографическом разделении аминокислот на бумаге;
б) в автоматических анализаторах аминокислот;
в) для определения аминного азота.
4. Существуют реакции для обнаружения и полуколичественного определения аминокислот:
• реакция Миллона (тирозин);
• ксантопротеиновая реакция (фенилаланин, тирозин)
• реакция Сакагучи (аргинин).
Аминокислоты природных белков (кроме глицина) обладают оптической активностью, т.е. способностью вращать плоскость поляризованного света. Различают D- и L-формы аминокислот, например:
D (-) - Аланин L (+) - Аланин
Все природные белковые аминокислоты относятся к L-ряду. Лишь в белках некоторых микроорганизмов встречаются некоторые D-аминокислоты (также в грибах, антибиотиках).
Аминокислоты D-ряда или совершенно не усваиваются организмом или же усваиваются плохо, т.к. ферментные системы животного организма специфически приспособлены к обмену L-аминокислот. Это важно при учете балансирования рациона животных по незаменимым аминокислотам синтетическими аналогами, которые, как правило, содержат в равных количествах L- и D- формы (рацематы).
Аминокислоты обозначают трехбуквенными символами, например: Алании Ала, Гистидин Гис, Аргинин Apr, и т.д. Кроме того, принято однобуквенное обозначение аминокислот; например, глицин - G, аланин - А, валин - V, лейцин - L и т.д.
Важным свойством аминокислот является их способность синтезироваться в тканях организма животных. Различают аминокислоты заменимые, которые могут синтезироваться в тканях животного организма и незаменимые, которые не могут синтезироваться в организме, а должны поступать с кормом.
Ациклические аминокислоты
Моноаминомонокарбоновые кислоты
Глицин (гликокол или аминоуксусная кислота):
Это единственная α-аминокислота, не содержащая асимметрического атома углерода и не имеющая в связи с этим оптического изомера. Глицин входит в состав всех растительных и животных белков. Он синтезируется в организме животных из других аминокислот, не является незаменимой аминокислотой.
L(+)-аланин (α-аминопропионовая кислота) – является производной пропионовой кислоты; заменимая аминокислота:
Впервые выделена из фиброина шелка при его кислотном гидролизе. Аланин и его производные жирного и циклического ряда составляют 55-60 % всех аминокислот, входящих в состав белков:
L-серин (α-амино- β-оксипропионовая кислота):
Эта аминокислота имеет 3 функциональные группы α-аминогруппу, карбоксильную и гидроксильную. В связи с этим может вступать в химические реакции чаще, чем аланин и глицин; заменимая аминокислота.
L-Цистеин (α-амино- β-тиопропионовая кислота):
Входит в состав многих белков, особенно в состав кожи (эпидермиса), шерсти, рогов, копыт. Значительно в составе ферментов. Наличие -SH сульфгидрильной (тиоловой) группы в составе ферментов дало им название тиоловых; заменимая аминокислота.
L-цистин (α,α'-диамино- β,β'-дитиопропионовая кислота):
Образуется в результате окисления цистеина, две молекулы которой соединяются через атомы серы. Цистин можно рассматривать как дицистеин. Плохо растворяется в воде, несколько лучше в слабых кислотах и щелочах.
L-Метионин (α-амино-γ-метилтиомасляная кислота):
Открыт в 1922 г. в составе белка казеина. Незаменимая аминокислота, в тканях организма животных не синтезируется, является донором метальных групп и серы для образования некоторых биологически активных веществ, в т.ч. серосодержащих аминокислот (цистеин, цистин, гомоцистеин), холина, креатина и др.
L-Треонин (α-амино-β-гидрооксимасляная кислота):
Незаменимая аминокислота.
L-валин (α-амино- β-метилмасляная кислота):
Валин широко распространен в белках тканей, незаменимая аминокислота.
L-лейцин (α-аминоизокапроновая кислота):
В клетках организма не синтезируется, незаменимая аминокислота.
L-Изолейцин (α-амино - β-метил-валериановая кислота):
Незаменимая аминокислота, входит в состав многих белков.
Моноаминодикарбоновые кислоты.
Аспарагиновая кислота (α-аминоянтарная кислота):
Входит в состав белков тканей, много в составе кислых белков, заменимая аминокислота.
Глутаминовая кислота (α-аминоглутаровая кислота):
Входит в состав белков, особенно много в составе кислых белков. Заменимая аминокислота.
Диаминомонокарбоновые кислоты.
Это производные валериановой и капроновой кислот (5 и 6 атомов углерода).
L-Аргинин (α-амино-δ-гуанидилвалериановая кислота):
Является частично заменимой аминокислотой. Содержит 2 аминогруппы – относится к основным аминокислотам. Входит в состав гистонов, протаминов. Является важным промежуточным продуктом при синтезе мочевины:
аргинин орнитин мочевина
Орнитин не является составной частью белков, является диаминовалериановой кислотой, образуется в процессе обмена при гидролизе аргинина.
L-Цитруллин образуется при синтезе мочевины. В состав белков не входит.
L-Лизин (α,ε-диаминокапроновая кислота):
Много лизина в ядерных белках протаминах и гистонах. Незаменимая аминокислота.
Ароматические аминокислоты
L-Фенилаланин (α-амино-β-фенилпропионовая кислота):
Незаменимая аминокислота.
L-Тирозин (α-амино-β-параоксифенилпропионовая кислота):
Распространенная аминокислота. Является основным субстратом при синтезе гормонов щитовидной железы и мозгового слоя надпочечников. Заменимая аминокислота.
Гетероциклические аминокислоты
Триптофан (α-амино-β-индолилпропионовая кислота):
Содержит гетероциклическое пиррольное кольцо, из него образуется биологически активный амин – триптамин, который повышает кровяное давление; незаменимая аминокислота.
L-Гистидин (α-амино-β-имидозолилпропионовая кислота):
Незаменимая аминокислота. Содержит имидазольный цикл с двумя атомами азота. Гистидин, как и триптофан, входит в состав многих белков организма. При декарбоксилировании образуется биологический активный амин – гистамин.
L-Пролин (пирролидин – Оксипролин (4-гидроксипирро-
α-карбоновая кислота): лидин-2-карбоновая кислота).
Пролин и оксипролин могут превращаться в другие аминокислоты, принимают участие в обмене веществ, они иминокислоты, т.к. содержат =NH группу; относятся к заменимым аминокислотам.
