Деякі амінокислоти, які не входять до складу білків, але відіграють важливу
Тема № 4. Білки. Амінокислоти
Функції білків
Хімічний склад білків
Амінокислоти: класифікація, фізико-хімічні властивості, методи виділення та ідентифікації
Будова білків: хімічні зв’язки, структура, фізико-хімічні властивості, методи визначення молекулярної маси, методи виділення та ідентифікації, критерії чистоти білків
Класифікація білків
Білки. Амінокислоти
Білки – високомолекулярні органічні сполуки, азотовмісні нерегулярні біополімери, побудовані з великої кількості залишків амінокислот, сполучених пептидним та іншими видами зв’язків. Свою назву білки дістали від яєчного білка, що з давніх-давен використовувався як харчовий продукт. Уперше термін “білки” було застосовано за аналогією з яєчним білком французьким фізіологом Ф. Кейе в 1747 р. Пізніше, в 1838 р., дослідником Н. Мульдером білки були названі протеїнами. Нині у літературі використовуються обидва терміни. Білки є найважливішими в біологічному відношенні і найскладнішими за своєю хімічною структурою сполуками. Вони становлять структурну і функціональну основу всіх живих організмів.
Функції білків
Каталітична функція. Усі ферменти – біологічні каталізатори, що зумовлюють перебіг хімічних реакцій в організмі – мають білкову природу. Вони є необхідними для життєдіяльності кожного живого організму.
За участю ферментів у клітинах одночасно проходить багато різних хімічних реакцій, які забезпечують синтез і розщеплення різноманітних сполук з досить великою швидкістю за звичайних температурі і тиску. Зараз відомо близько 2 тисяч білків, які ферментативно активні і більше 200 з яких виділено в кристалічному стані.
Структурна функція. Білки в середньому становлять 18 – 21 % загальної сирої маси організму людини і тварин і до 45 – 50 % їх сухої маси. Найбільша кількість білків міститься в паренхіматозних органах – селезінці, легенях, нирках та м’язах. Найменша кількість їх міститься у кістковій тканині. Білки входять до складу усіх органів і тканин. Вони беруть участь в утворенні структурної основи клітин і їх органел – мембранних структур, мітохондрій, рибосом, цитоплазми. Людині і вищим тваринам білки необхідні для утворення стінок судин, формування покривних, м’язових і сполучних тканин організму, вони становлять основу органічної частини кісткової тканини, хрящів, зв’язок і сухожилля.
Транспортна функція. Білки виконують також важливу транспортну функцію. Для нормальної життєдіяльності кожного організму необхідне постійне забезпечення його органів і тканин поживними речовинами. Ці речовини переносяться з током крові сполуками білкової природи. Так, перенесення кисню до тканин, а на зворотному шляху вуглекислого газу до легень здійснюється за допомогою складного білка хромопротеїдного типу – гемоглобіну. Транспорт різних груп ліпідів і жиророзчинних вітамінів до різних органів і тканин здійснюється за участю складних білків – ліпопротеїдів.
Гормональна функція. Значна кількість гормонів також є білками або продуктами білкового обміну. Це, зокрема, такі гормони, як інсулін, тетелін, тиреотропін, глюкокортикотропіни, оксітони, вазопресин та ін. Гормони беруть активну участь у регуляції обміну, впливають на проникність клітинних мембран, регулюють активність ферментів, діють на процеси трансляції і транскрипції та ін.
Рецепторна функція мембранних білків пов’язана з передачею сигналу від гормонів та антитіл у клітину. Подібну функцію виконують білки мембранних каналів, по яких транспортуються іони та моносахариди.
Скорочувальна функція білків м’язів та мікрофіламентів цитоскелету. Білки беруть участь у забезпеченні різних форм механічного руху – скороченні і розслабленні м’язів, роботи внутрішніх органів – серця, легень, шлунку і т. д. Ці процесії здійснюються за участю таких білків, як актин, міозин, тропоміозин і ряду інших.
Захисна функція здійснюється в основному за участю білків g-глобулінів, з якими пов’язані імунні реакції організму. Антитіла, які утворюються в організмі при несприятливій дії на нього різних факторів (хвороботворних бактерій, вірусів, токсинів), мають білкову природу. Зв’язуючись з мікроорганізмами чи токсинами, вони інактивують їх, гальмують патогенну дію і знешкоджують токсичні продукти. Відомо ряд інших процесів, в яких білки також виконують захисну функцію, наприклад у процесах зсідання крові, оберігаючи організм від надмірної втрати її при різних травмах, тощо.
Токсична та детоксикуюча функція, наприклад, дуже токсичні речовини зв’язують альбуміни крові.
Енергетична функція. Найбільш виражена при голодуванні організму. Білки, як і вуглеводи, і ліпіди, є також і найважливішим джерелом енергії для організму. Так, при розщепленні 1 г білка виділяється 17,7 кДж енергії. За рахунок білків організм людини одержує 10 – 15% енергії.
Отже, з далеко неповного переліку функцій білків в організм; видно, що їм належить ведуча роль у забезпеченні процесів життєдіяльності. Багатоплановість і важливість проблеми білка зумовлена насамперед тим, що з нею пов’язано вирішення досить важливого питання про закономірності розвитку живої матерії, пізнання вищої форми її існування, розкриття суті явищ, що лежать в основі життя, і свідомого керування ним.
Хімічний склад білків
Елементний склад. Дослідження елементного складу білків розпочалось ще на початку XIX ст. Перші дані про елементарний склад білків з’явились у 1809 р. на основі досліджень Ф. Грена. У результаті хімічного аналізу білків було визначено їх важливі складові елементи та кількісне співвідношення. Так, було встановлено, що до складу білків входять, %: вуглець – 50 – 55, водень – 6,5 – 7,3, азот – 15 – 17, кисень – 21 – 23, сірка – 0,3 – 2,5. У складі білків було виявлено також фосфор, йод, залізо та інші елементи.
Амінокислотний склад. Разом з визначенням елементного складу білків було розпочато вивчення і їх будови. Спочатку вважали, що основними структурними компонентами молекул білка є пептони, які було виділено при гідролізі різних білків. Пізніше (серед продуктів розщеплення білків) дослідники звернули увагу на речовини, які довгий час розглядалися ними не як складові частини молекул білка, а як продукти дії на білкові речовини сильних хімічних реагентів.
У 1820 р. А. Браконно вперше при кислотному гідролізі білка (желатини) виділив амінокислоту – гліцин. Оскільки амінокислота була солодка на смак, то її назвали глікоколом. Дещо пізніше (у 1871 р. російським хіміком М.М. Любавіним) було доведено, що і при ферментативному гідролізі білки розкладаються на амінокислоти.
Отже, в другій половині XIX ст. було встановлено, що основними структурними компонентами білка є амінокислоти.
Амінокислоти
У живих клітинах синтезується багато макромолекул (білків, нуклеїнових кислот, полісахаридів), які відіграють роль структурних компонентів, біокаталізаторів, гормонів, рецепторів або в них зосереджена генетична інформація. Ці макромолекули представляють собою біополімери, які побудовані з мономерних одиниць, або структурних блоків. В нуклеїнових кислотах мономерними одиницями є нуклеотиди, в складних полісахаридах – цукри і їх похідні, а в білках – L-a-амінокислоти.
Білки, крім того можуть містити й інші компоненти, однак трьохвимірна структура, а відповідно, й їх біологічне значення визначається в основному амінокислотним складом, порядком чергування амінокислот в поліпептидному ланцюзі і як наслідок їх взаємним просторовим розміщенням.
Амінокислоти в клітинах виконують багато важливих функцій; деякі з біологічно важливих сполук, які утворюються із амінокислот наведені в таблиці 3.
Біологічне значення. Амінокислоти являючись будівельними блоками пептидів і білків, виконують і ряд інших важливих функцій. Деякі з них, мабуть приймають участь у передачі нервових імпульсів; прикладами служать гліцин і глютамінова кислота. В їжі повинні міститися незамінні амінокислоти, оскільки організм людини не здатен синтезувати їх в кількостях, достатніх для росту. В результаті метаболізму амінокислот утворюється багато сполук, які мають важливе біологічне значення. Наприклад, при декарбоксилуванні деяких амінокислот утворюються відповідні аміни, і деякі з них (гістамін, g-аміномасляна кислота (ГАМК)) виконують важливі біологічні функції. Ряд аномальних процесів, які виникають в організмах, пов’язані з порушенням транспорту амінокислот до клітин.
Амінокислоти містять в якості функціональних груп аміногрупу і карбоксильну групу. В a-амінокислотах обидві вони зв’язані з одним і тим же (a) вуглецевим атомом:
У природі існує близько 300 амінокислот, однак в білках виявлено тільки 20 з них. У результаті повного гідролізу білків вивільняється 20 L-a-амінокислот (табл. 1). Одні і ті ж 20 амінокислот присутні в білкових молекулах всіх форм життя – рослин, тварин і мікроорганізмів. Чому це так – ми зрозуміємо пізніше, коли будемо обговорювати універсальну природу генетичного коду. Однак, у ряді білків зустрічаються похідні деяких амінокислот, які утворюються вже після включення звичайних амінокислот в молекулу білка (табл. 3).
За виключенням гліцину, у якого R – це атом гідрогену, у всіх амінокислот чотири групи, зв’язані з a-вуглецевим атомом, різні. Дякуючи тетраедричному розміщенню чотирьох різних груп відносно a-вуглецевого атома амінокислота володіє оптичною активністю (здатністю обертати площину поляризації плоскополяризованого світла). Одні амінокислоти, що входять до складу білків, є (при рН=7,0) правообертаючими, а інші – лівообертаючими, однак всі вони мають абсолютну конфігурацію L-гліцеральдегіду і тому є L-a-амінокислотами.
Іонні форми амінокислот. Амінокислоти несуть по крайній мірі дві слабоіонізуючі кислі групи, –СООН і –NH3+. У розчині ці групи знаходяться у двох формах, зарядженій і незарядженій, між якими підтримується протонна рівновага:
R–СООН Û R–СОО- + Н+ і R–NН3+ Û R–NН2 + Н+.
Групи R–СООН і R–NН3+ є протонованими партнерами, тобто кислотами, а R–СОО- і R–NН2 – спряженими основами, тобто акцепторами протонів відповідних кислот. При значеннях рН, характерних для плазми крові і міжклітинної рідини (7,4 і 7,1 відповідно), карбоксильні групи знаходяться виключно у формі карбонілатних іонів, R–СОО-. При цих же значеннях рН більша частина аміногруп знаходиться переважно у асоційованій формі, R–NН3+. Однак в багатьох рівняннях краще використовувати не дисоційовані форми молекул амінокислот, наприклад при обговоренні питання про хімізм реакцій.
Повний сумарний заряд (алгебраїчна сума всіх позитивних і негативних зарядів) амінокислоти залежить від рН середовища, тобто від концентрації протонів гідрогену в розчині. Заряд амінокислоти або її похідного можна змінити, варіюючи значенням рН середовища; це полегшує фізичне розділення амінокислот, пептидів, білків.
Значення рН, при якому сумарний заряд молекули амінокислоти дорівнює нулю, називається ізоелектричною точкою (рІ), саме тому вона не переміщується в постійному електричному полі. Значення ізоелектричної точки знаходиться між найближчими значеннями рК дисоціюючих груп по різні сторони від рІ.
Структура амінокислот. Амінокислоти, які входять до складу білків, є можливість розбити на дві великі групи на основі того, якими є R–групи, зв’язані з атомом a-вуглецю, – полярними і неполярними (табл. 2).
Усі амінокислоти, які виявлено в складі білків, синтезуються в рослинних організмах. В організмі людини і тварин синтезується лише частина протеїногенних амінокислот, а деякі з них утворюються в недостатній кількості для нормального синтезу. В зв’язку з цим усі їх поділяють на три групи: замінні, напівзамінні і незамінні (табл. 2). Останні дві групи в організмі синтезуються в недостатній кількості або не синтезуються взагалі, і тому вони повинні надходити до організму ззовні, в основному з їжею.
Таблиця 1
L-a-амінокислоти, які входять до складу білків1)
| № | Назва | Скорочене позначення | Структурна формула | |
| З аліфатичними боковими ланцюгами | ||||
| Гліцин | Глі Gly G |  | ||
| Аланін | Ала Ala A |  | ||
| Валін | Вал Val V |  | ||
| Лейцин | Лей Leu L |  | ||
| Ізолейцин | Іле Ile I |  | ||
| З боковими ланцюгами, які містять гідроксильні (ОН) групи | ||||
| Серин | Сер Ser S |  | ||
| Треонін | Тре Thr T |  | ||
| Тирозин | Тир Tyr Y | див. нижче | ||
| З боковими ланцюгами, які містять атоми сірки | ||||
| Метіонін | Мет Met M |  | ||
| Цистеїн2) | Цис Cys C |  | ||
| Імінокислоти | ||||
| Пролін | Про Pro P |  | ||
| З боковими ланцюгами, які містять кислі групи і їх аміди | ||||
| Аспарагінова кислота | Асп Asp D |  | ||
| Аспарагін | Асн Asn N |  | ||
| Глютамінова кислота | Глу Glu E |  | ||
| Глютамін | Глн Gln Q |  | ||
| З боковими ланцюгами, які містять основні групи | ||||
| Аргінін | Арг Arg R |  | ||
| Лізин | Ліз Lys K |  | ||
| Гістидин | Гіс His H |  | ||
| Амінокислоти, які містять ароматичні кільця | ||||
| Гістидин | Гіс His H | див. вище | ||
| Фенілаланін | Фен Phe F |  | ||
| Тирозин | Тир Tyr Y |  | ||
| Триптофан | Три Trp W |  |
1) За виключенням гідроксилізину і гідроксипроліну, які включаються до молекул білків у вигляді лізину та проліну, а потім гідроксилюються, для всіх перерахованих в таблиці амінокислот є специфічні тРНК, тому їх включення в білок здійснюється під прямим генетичним контролем. 2) Цистин складається із двох молекул цистеїну, з’єднаних дисульфід ним зв’язком:  |
У таблиці 1 наведені трьохбуквенні і однобуквені позначення амінокислот, які широко використовуються в біохімії. Однобуквені позначення застосовуються для запису досить довгих амінокислотних послідовностей (наприклад, повних амінокислотних послідовностей білків).
Таблиця 2
Класифікація L-a-амінокислот, які входять до складу білків,
основана на полярності їх R–груп
| Неполярні | Полярні |
| Аланін Валін* Ізолейцин* Лейцин* Метіонін* Пролін Триптофан* Фенілаланін* | Аргінін** Аспарагін Аспарагінова кислота Гістидин** Гліцин Глютамін Глютамінова кислота Лізин* Серин Тирозин** Треонін* Цистеїн |
| * - незамінні амінокислоти; ** - напівзамінні амінокислоти. |
Амінокислоти, які знаходяться у вільному стані або які входять до складу інших сполук (не білків), виконують важливі функції в багатьох метаболічних процесах (табл. 3). Наприклад, амінокислоти орнітин, цитрулін і аргініносукцинат беруть участь у метаболізмі сечовини. В природних об’єктах виявлено більше 20 D-амінокислот. До їх числа належить D-аланін, D-глутамат, які входять до складу клітинних стінок деяких бактерій; ряд D-амінокислот входить до складу антибіотиків.
Таблиця 3
Деякі амінокислоти, які не входять до складу білків, але відіграють важливу
роль в метаболізмі організму
| Назва | Роль | Структурна формула |
| Гідроксилізин | Входить до складу колагену та желатини |  |
| Гідроксипролін | Входить до складу колагену та желатини |  |
| Орнітин | Проміжна сполука в метаболізмі треоніну, аспарагінової кислоти і метіоніну. |  |
| 3,5-дийодтирозин | Попередник тиреоїдних гормонів |  |
| Гомоцистеїн | Проміжна сполука в біосинтезі цистеїну |  |
| Гомосерин | Проміжна сполука в метаболізмі треоніну, аспарагінової кислоти і метіоніну. |  |
| Цитрулін | Проміжна сполука в біосинтезі сечовини |  |
| b-аланін | Складова частина коферменту А і вітаміну пантетеїну |  |
| Таурин | Знаходиться у жовчі в складі кон’югатів жовчних кислот |  |
| g-аміномасляна кислота (ГАМК) | Нейромедіатор, який утворюється із глутамату в тканинах мозку |  |
Розчинність амінокислот. Амінокислоти містять по декілька заряджених груп, тому вони легко піддаються сольватації і добре розчиняються в полярних розчинниках (вода, етанол) і не розчиняються в неполярних розчинниках (бензол, гексан, ефір). Температура плавлення амінокислот досить велика (> 200°C). Це теж обумовлено присутністю в них заряджених груп.