Химия. Белки

БЕЛКИ И ПОЛИПЕПТИДЫ
Белкииграют исключительно важную роль в живой природе. Жизнь немыслима без различныхпо строению и функциям белков. Белки — это биополимеры сложного строения, мак­ромолекулы(протеины)  которых, состоят из остатковаминокислот, соединен­ных между собой амидной (пептидной) связью. Кроме длинных полимерных цепей,построенных из остатков аминокислот (полипептидныхцепей), в макромолекулу белка могут входить также остат­ки или молекулы другихорганических соединений. На одном кольце каждой пептиднойцепи имеется свободная или ацилированная аминогруппа, на другом — свободная или амидированная карбоксильная группа.
Конеццепи с аминогруппой называется М-концом, конеццепи с карбоксильной группой — С-концом пептидной цепи. Между СО-груп­пой одной пептиднойгруппировки и NH-группой другой пептиднойгруппировки могут легко образовываться водородные связи.
Группы,входящие в состав радикалаRаминокислот, могут вступать во вза­имодействие друг с другом, с постороннимивеществами и с сосед­ними белковыми и иными молекулами,образуя сложные и разнооб­разные структуры.
Вмакромолекулу белка вхо­дит одна или несколько пептид­ных цепей, связанных другс другом поперечными химически­ми связями, чаще всего через се­ру (дисульфидные мостики, обра­зуемые   остатками  цистеина). Химическую структурупептидных цепей принято назы­вать первичной структу­рой белка или секвенцией.
Дляпостроения простран­ственной структуры бел­ка пептидныецепи должны при­нять определенную, свойственную данному белку конфигурацию, ко­тораязакрепляется водородными связями, возникающими между пептиднымигруппировками от­дельных участков молекулярной цепи. По мере образования водо­родныхсвязей пептидные цепи закручиваются в спирали, стремяськ образованию максималь­ного числа водородных связей и соответственно кэнергетически наиболее выгодной конфигурации.
Впервыета­кая структура на основе рентгеноструктурногоанализа была обнаружена при изучении главного белка волос и шер­сти—кератина Полингом американскимфизиком и химиком...Ее наз­валиа-структурой или а-спиралью.На один виток спирали приходится по3,6—3,7остатков аминокислот. Рас­стояние между витками около 0,54 миллиардной доле  метра.Строение спирали стабилизируется внут­римолекулярнымиводородными связями.
Прирастяжении спираль мак­ромолекулы белка превращается в дру­гую структуру, напоминающуюлиней­ную.
Нообразованию правильной спирали часто мешают силы отталкива­ния или притяжения,возникающие между группами аминокислот, или стерическиепрепятствия, например, за счет образования пирролидиновыхколец пролина и оксипролина,которые заставляют пептидную цепь резкоизгибаться и препятствуют образованию спирали на некоторых ее участках. Далееотдельные участки макромолекулы белка ориентируются в пространстве, принимая внекоторых случаях достаточно вытянутую форму, а иногда сильноизогнутую, свернутуюпространственную структуру.
Пространственнаяструктура закреплена вследствие взаимодействиярадикаловRиаминокислот с образованием дисульфидных мостиков,водородных связей, ионных пар или других химических либо физических связей. Именно пространственная структура белка определяетхими­ческие и биологические свойства белков.
Взависимости от пространственной структуры всебелки делятся на два больших класса: фибриллярные (они используются природой как структурный материал) и глобулярные (ферменты, антитела, некоторые гормоны и др.).
Полипептидныецепи фибриллярных белков имеют форму спи­рали, котораязакреплена расположенными вдоль цепи внутримоле­кулярными водородными связями.В волокнах фибриллярных белков закрученные пептидныецепи расположены параллельно оси волокна, оникак бы ориентированы относительно друг друга, располагаются рядом, образуя нитевидныеструкту­ры и имеют высокую степень асимметрии. Фибриллярные белки плохо растворимыили совсем нерастворимы в воде. При растворении в воде они образуют растворывысокой вязкости. К фибриллярным белкамотносятся белки,входящие в состав тканей и покровных образований. Это мио­зин—белок мышечных тканей; коллаген, являющийся основойседиментационных тканей и кожных покровов;кератин, входящий в со­став волос, роговых покровов, шерсти и перьев. К этомуже классу белков относится белок натурального шелка — фиброин, вязкая сиропообразная жидкость, за­твердевающаяна воздухе в прочную нерастворимую нить. Этот белок имеетвытянутые по­липептидные цепи, соединенные друг с другом межмолекулярнымиводородными связями, что и определяет, по-видимому, высокую механическуюпрочность натурального шелка.
Пептидныецепи глобулярных белков сильно изогнуты, свернуты и часто имеют форму жесткихшариков—глобул.Молекулы глобу­лярных белков обладают низкойстепенью асимметрии, они  хорошо растворимы в воде, причем вязкость их растворов невелика. Это прежде всего белкикрови—гемоглобин, альбумин, глобулин и др.
Следуетотметить условность деления белков на фибриллярные иглобулярные, так как существует большое число белков с проме­жуточнойструктурой.
Свойствабелка могут сильно изменяться при за­мене одной аминокислоты другой. Этообъясняется изменением кон­фигураций пептидныхцепей и условий образования пространствен­ной структуры белка, которая вконечном счете определяет его функ­ции в организме.
СОСТАВ И СВОЙСТВА БЕЛКОВ
Числоаминокислотных остатков, входящих в молекулы отдельных белков, весьма различно:в инсулине 51, в миоглобине — около 140. Поэтому и относительная молекулярнаямасса белков колеблется в очень широких пределах — от 10 тысяч до многихмиллионов На основе определения относительной молекулярной массы иэлементарного анализа установлена эмпирическая формула белковой молекулы — гемоглобина крови (C738H1166O208S2Fe)4Меньшая молекулярная масса может быть у простейшихферментов и некоторых гормонов белковой природы. Например, молекулярная массагормона инсулина около6500, а белка вирусагриппа— 320 000 000. Вещества белковойприроды (состоящие из остатков аминокислот, соединенных между собой пептидной связью), имею­щие относительно меньшуюмолекулярную массу и меньшую сте­пень пространственной организациимакромолекулы, называются полипептидами. Провести резкую границу междубелками и полипептидами трудно. В большинствеслучаев белки отличаются от других природных полимеров (каучука, крахмала,целлюлозы), тем, что чистый инди­видуальный белок содержит только молекулыодинакового строения и массы. Исключением является, например, желатина, всоставе которой входят макромолекулы с молекулярной массой12 000— 70000.
Строениембелков объясняются их весьма разнообразные свой­ства. Они имеют разнуюрастворимость: некоторые растворяются в воде, другие — в разбавленных растворахнейтральных солей, а некоторые совсем не обладают свойством растворимости(например, белки покровных тканей). Прирастворении белков в воде образуетсясвоеобразная молекулярно-дисперсная система (раствор высокомолекулярноговещества). Некоторые белки могут быть вы­делены в виде кристаллов (белоккуриного яйца, гемоглобина крови).
Белкииграют важней­шую роль в жизнедеятельности всех организмов. При пищеварениибелковые молекулы перевариваются доаминокислот, которые, будучи хорошо растворимы в водной среде, проникают вкровь и поступают во все ткани и клетки организма. Здесь наи­большая частьаминокислот расходуется на синтез белковразлич­ных органов и тканей, часть—на синтезгормонов, ферментов и других биологически важных веществ, а остальные служаткак энергетический материал. Т.е. белки выполняюткаталитические (фермен­ты), регуляторные (гормоны), транспорт­ные (гемоглобин, церулоплазмини др.), защитные (антитела, тромбин и др.) функции
Белки— важнейшие компоненты пищи человека икорма животных. Совокупность непрерывнопротекающих химищеский превращений белков зани­мает ведущее место в обмене веществ орга­низмов. Скорость обновления белков уживых организмов зависит от содержания белков в пище, а также его биологическойценности, которая определяется наличием и соотношением незаменимых аминокислот
Белкирастений беднее белков животного происхождения по содержа­нию незаменимыхаминокислот, особен­но лизина, метионина, триптофана. Белки сои и картофеля поаминокислотному со­ставу наиболее близки белкам животных. Отсутствие в корменезаменимых аминокислот при­ходит к тяжёлым нарушениям азотистого обмена.Поэтому селекция зерновых культур направлена, в частности, и на повышениекачества белкового состава зерна. КЛАССИФИКАЦИЯ БЕЛКОВ
Белкиподразделяются на две большие группы: простые белки, или протеины, и сложные белки, или протеиды.
Пригидролизе протеинов в кислом водном растворе получают только а-аминокислоты. Гидролиз протеидов дает кроме амино­кислоти вещества небелковой природы (углеводы, нуклеиновые кислоты и др.); это соединения белковых веществ с небелковыми.
Протеины.
Альбуминыхорошо растворяются в воде.Встречаются в моло­ке, яичном белке и крови.
Глобулиныв воде не растворяются,но растворимы в разбавлен­ных растворах солей. К глобулинам принадлежатглобулины крови и мышечный белок миозин.
Глутелинырастворяются только в разбавленных растворах ще­лочей. Встречаются в растениях.
Склеропротеины—нерастворимые белки. К склеропротеинам относятся кератины, белок кожи исоединительных тканей колла­ген, белок натурального шелка фиброин.
Протеидыпостроены из протеинов,соединенных с молекулами другого типа (простетическимигруппами).
Фосфопротеидысодержатмолекулы фосфорной кислоты, свя­занные в виде сложного эфира у гидроксильной группы аминокисло­ты серина. К ним относится вителлин—белок, содержащийся в яичном желтке, белокмолока казеин.
Гликопротеидысодержатостатки углеводов. Они входят в сос­тав хрящей, рогов, слюны.
Хромопротеидысодержатмолекулу окрашенного вещества, обычно типа порфина.Самым важным хромопротеидом являетсягемоглобин— переносчик кислорода, окраши­вающийкрасные кровяные тельца.
Нуклеопротеиды—протеины, связанные снуклеиновыми кис­лотами. Они представляют собой очень важные с биологическойточ­ки зрения белки—составные частиклеточных ядер. Нуклеопротеиды являются важнейшей составной частью виру­сов— возбудителей многих болезней.
Определение строения белков
Определениестроения белков является очень сложной задачей,но за последние годы в химии белка достигнутызначительные успехи. Помимо методов получения высокомоле­кулярных синтетическихполипептидов, построенных из большого чис­ламолекул одинаковых а-аминокислот, разработаны методысинтеза смешанных полипептидов с заранее заданным порядком чередования различных а-аминокислотпутем постепенного их наращивания.
Полностьюопределена химическая структура нескольких белков: гормона инсулина,антибиотика грамицидин, фермента, расщепляющего нуклеи­новые кислоты, рибонуклеазы, гормона аденокортикотропина,белка вируса табачной мозаики, миоглобина,гемоглобина и др. Частично определена структура некото­рых других белков.
Изучениехимического строения белка начинают с определения аминокислотного состава. Дляэтого используется главным образом метод гидролиза, т. е.нагревание белка с6—10 моль/л соляной кислотой при температуре100—110°С. Получают смесь а-аминокислот, из которой можно выделитьиндивидуальные аминокислоты.
Например,полный гидролиз одного трипептида приводит к образованию трех аминокислот:
Дляколичественного анализа этой смеси в настоя­щее время применяют ионообменную ибумажную хроматографию. Сконструированыспециальные автоматические анализаторы ами­нокислот.
Итак,гидролиз белков, по существу, сводится к гидролизу полипептидныхсвязей. К этому же сводится и процесс переваривание.
Разработанытакже ферментативные методы ступенчатого рас­щепления белка. Некоторые ферментырасщепляют макромолекулу белка специфически— только в местах нахождения определеннойаминокислоты. Так получают продукты ступенчатого расщепления— пептоны и пептиды,последующим анализом которых устанавлива­ют их аминокислотный состав.
Значительно болеесложным является определение последова­тельности амидокислотв пептидных цепях белка. С этой целью пре­ждевсего определяютN-и С-концы полипептидныхцепей, при этом решаются два вопроса—идентифицируютсяконцевые аминокислотыи определяется число пептидных цепей, входящих в состав макромо­лекулбелка. Для определения N-концов пептидной цепи получаютN-производное концевой аминокислоты пептида, которое идентифицируют после полногогидролиза пептида. С-концы пептидных цепей определяются избирательным отщеп­лениемконцевой аминокислоты с помощью специфического фермен­та — карбоксипептидазы и последующей идентификацией этойамино­кислоты. Если макромолекула белка состоит из двух (или более) пеп­тидныхцепей, как в случае инсулина, то избирательно разрушают дисульфидныемостики окислением (например, над-муравьинойкислотой) и затем полученные полипептидыразделяют путем фракционирования на ионитах.Для определения последова­тельности расположения аминокислот в каждой полипептидной цепи ее подвергают частичномукислотному гидролизу и избиратель­номурасщеплению с помощью ферментов, каждый из которых раз­рывает полипептидную цепь только в определенных местахприсоеди­нения какой-то одной определеннойаминокислоты или одного типа аминокислот (основных, ароматических). Таким образом получают нескольконаборов пептидов: которые разделяют, используяметоды хроматографии и электрофореза. Строениекоротких пептидов определяют последовательным от­щеплением и идентификациейконцевых аминокислот упомянутыми вышеметодами, а большие пептиды подвергаютдополнительному расщеплению с последующим разделением и определением строе­ния. Затем путем сложного сопоставления структуры различных уча­стков пептиднойцепи воссоздают полную картину расположения аминокислот в макромолекуле белка.Работа эта очень трудоемкая, и для определения химической структуры белкатребуется несколь­ко лет.
Дляизучения пространственной структуры белка, последовательностисоединения аминокислот в том или ином белке используютразличные физико-химические методы, из которыхнаиболее эффек­тивными оказались метод ступенчатого расщепления и рентгеноструктурный анализ.
Рентгеноструктурныйанализ — метод исследованияатомной структуры в-ва с помощью дифракции рентгеновских лучей. Рентгеновскиелучи взаимодействуют с электронными оболочками атомов. В результате этоговзаимодейст­вия происходит дифракция рентгеновских лучей и на фотопленкеполучается дифракционная картина — пятна или окружности. Из дифракционной картины при помощи сложных расчетовустанавливают распределение электронной плотности в-ва, а по ней — род атомов иих расположение.
Внастоящее время установлено, что большинство белков состоят из 22 качественноразных а-аминокислот.
Приобразовании молекулы белка или полипептида а-аминокислоты могут соединяться в различнойпоследовательности. Возмож­но огромное число различных комбинаций. Так же как,пользуясь 20...30 буквами алфавита, можно написать текст любой длины, так и из20 а-аминокислот можно образовать больше1018 комбинаций. Существование различного типа полипептидовпрактически неогра­ничено.
Определение наличия белка:
Дляидентификации белков и полипептидов используютспеци­фические реакции на белки. Например:
а) биуретоваяреакция
б) ксантопротеиноваяреакция (появление желтого окрашивания при взаимодействии с онцентрированнойазотной кислотой, кото­рое в присутствииаммиака становится оранжевым; реакция свя­зана с нитрованиемостатков фенилаланина и тирозина);
в) реакция Миллона(образование желто-коричневого окраши­ванияпри взаимодействии сHg(NÎ3)2+HNО3+HNO2
г) нингидриновая реакция
д)принагревании белков со щелочью в присутствии солей свин­ца выпадает черный осадокPbS,чтосвидетельствует о присутствии серусодержащихаминокислот.
е) сильноенагревание вызывает не только денатурацию белков, но и разложение их с выделениемлетучих продуктов, обладающих запахом жженых перьев.
Белкиобычно образуют коллоидные растворы. Многие реаген­ты вызывают осаждение белков— коагуляцию, которая может быть обратимой инеобратимой. Например, этанол и ацетон коагу­лируютбелки, но эта коагуляция является обратимой. В чистой воде коагулированные этимспособом белки снова образуют кол­лоидный раствор. Обратимую коагуляциювызывают также раст­воры некоторых солей(MgSO4(NH4)2SO4Na2SO4).Необратимую коагуляцию(денатурацию) белка вызывает кипячение, а также дей­ствие минеральных кислот,пикриновой кислоты, солей тяжелых металлов, танина.
Синтез пептидов
Синтезпептидов связан с рядом существенных трудностей. Преж­де всего, необходимыоптические активные изомеры а-аминокислот. Кроме того, требуются специальныеприемы для осуществления последователь­ного образования пептидных связей внужной нам последователь­ности а-аминокислот:защита аминогрупп, активация карбоксиль­ныхгрупп, отщепление защитных групп, множество специальных реагентов.
Нограндиозная работа по анализу и синтезу белков в последнийпериод революционизировалась благодаря использованию  высокоэффективных автоматических приборов. Кним от­носят синтезаторы — установки для синтеза, круглосуточно работающие безчеловека по заданной программе. Это одно из проявлений компьюте­ризации вхимии. Создание таких автоматов стало возможным после появления новыхплодотворных химических идей. Синтезаторы появились после предложе­нияамериканским химиком P. Meрифилдом нового принципа — син­теза на полимерномносителе, обла­дающем определенными функцио­нальными группами.
Такой способ исключает необходимость выделения промежуточныхпродуктов на каждой стадии синтеза и легко подвергается автоматизации.
Изыскивая пути исусственного получения белка, ученыеинтенсивно изучают механизм его синтеза в ор­ганизмах. Ведь здесь онсовершается в «мягких» условиях, удивительно чет­ко и с большой скоростью.(Молекула белка в клетке образуется всего за 2—3 с.) Выяснено, что синтезбелков в организме осуществляется с учас­тием других высокомолекулярных ве­ществ—нуклеиновыхкислот. В настоящее время человек уже глубоко познал механизм биосинтеза белкаи приступил к искусственному получению важнейших белков на ос­нове тех же принципов, которые столь совершенно отработаны впроцессе развития органического мира.
Кроме этого, промышленное полу­чение белков осуществляетсяпосред­ством микробиологического синтеза. Оказалось, что, размножаясь насоответствующей питательной среде, некоторыемикроорганизмы могут создаватьобильную белковую массу. На от ходах гидролизного  производства спирта издревесины, например, выращиваюткормовые дрожжи для животноводства.Использование продуктовмикробиологическогосинтеза в животноводствепозволяет значительно повышать его продуктивность.
Искусственноеполучение белка было актуальным вопросом уже в прошлом столетии, когда сталоясно, что белки построены из а-аминокислот с помощью амидных (пептидных)связей. Первые синтезы низкомолекулярных пептидов связаны с именем немецкогохимика Э. Фишера. В 1903—1907 гг. Э. Фишер синтезировал полипептид, состоящийиз 19 остатков аминокислот.