Физикохимични свойства на аминокиселините. Аминокиселини Оптична активност - свойство на аминокиселините

Всички аминокиселини, образувани по време на хидролизата на протеини, с изключение на глицин, имат оптична активност. Това се дължи на наличието на асиметричен въглероден атом.

Оптичната активност на органичните съединения е способността да се върти равнината на поляризираната светлина надясно или наляво. За да посочите посоката на въртене, използвайте знаците "+" и "-". Ако разтвор на аминокиселина завърта равнината на поляризирана светлина надясно, тогава пред името му се поставя знак „+“, а ако се върти наляво, тогава знак „-“. Когато се определя оптичното въртене, винаги е необходимо да се посочат условията, при които са извършени измерванията (разтворител, температура).

Ако аминокиселините се получават чрез хидролиза на протеини, те запазват своята оптична активност. Когато аминокиселините се произвеждат чрез химичен синтез, те обикновено се получават в неактивна форма. Тази форма обикновено се състои от еквимоларна смес от L- и D-изомери, означена като DL и наречена рацемат.

Рацемизация.Според класическата теория на стереохимията, когато два заместителя на асиметричен въглероден атом разменят местата си, съответните съединения се превръщат в неговия оптичен антипод. Следователно неговото оптично въртене променя знака.

Киселинно-алкални свойства на аминокиселините

Киселинно-алкалните свойства на аминокиселините са важни за разбирането на свойствата на протеините. В допълнение, методите за разделяне, идентифициране и количествен анализ на аминокиселини и протеини се основават на тези свойства на аминокиселините.

Молекулата на аминокиселината съдържа две функционални групи - карбоксилна и аминогрупа. Съответно аминокиселините имат както киселинни, така и основни свойства. Общата форма на аминокиселината (а) не изобразява точната структура на тези съединения. На аминокиселините се приписва структурата на амфотерни биполярни йони (b).

R-CH-COOH R-CH-COO -

Едно от доказателствата, че в неутралните водни разтвори аминокиселината присъства под формата на биполярни йони е тяхната по-добра разтворимост във вода, висока точка на топене, обикновено над 200 0.

Поради своята амфотерна природа, аминокиселините образуват соли както с киселини, така и с основи.

Когато се добави киселина към разтвор на аминокиселина, водородните йони (H +) изчезват съгласно уравнение (1); когато се добави разяждаща основа, хидроксилните йони (OH -) се неутрализират съгласно уравнение (2). И в двата случая pH на разтвора не се променя или се променя леко. Използването на аминокиселини в буферни разтвори се основава на това свойство.

H 3 N + -CH-COO - + H + H 3 N + -CH-COO (1)

H 3 N + -CH-COO - + OH - H 2 N-CH-COO - + H 2 O (2)

Във водни разтвори α-аминокиселините могат да съществуват като биполярен йон, катион или анион

H 2 N-CH-COO - H 3 N + -CH-COOH H 3 N + -CH-COO -

Анион катион биполярен йон

Киселинно-алкалните свойства на аминокиселините могат най-лесно да се интерпретират с помощта на теорията на Брьонстед-Лоури за киселините и основите. Според тази теория киселината се счита за протонен донор, а основата е протонен акцептор. Според тази теория катионът на аминокиселината е двуосновна киселина; в молекулата на катиона има две групи, способни да дарят протон - COOH и + NH3. Когато една напълно протонирана киселина се титрува напълно с основа, тя може да отдаде 2 протона.

Способността на киселината да се дисоциира се характеризира с нейната константа на дисоциация. За напълно протонирана аминокиселина процесът на дисоциация протича на два етапа.

H 3 N + -CH-COOH + H 2 O? H 3 N + -CH-COO - + H + + H 2 O (1)

H 3 N + -CH-COO - + H 2 O? H 2 N-CH-COO - + H + + H 2 O (2)

Графично напредъкът на титруването е показан на графика 1.

Ориз. 1 Титруване на напълно протониран аланин с NaOH

pK 1 - константа на дисоциация на карбоксилната група,

pK 2 - константа на дисоциация на аминогрупата,

pI е изоелектричната точка на аминокиселината.

аминокиселинно протеиново титруване на хидролиза

Кривата се състои от 2 ясно разделени клона. Във всеки клон има средна точка, в която промяната на рН при добавяне на ОН е минимална. Стойностите на константата на дисоциация на карбоксилната (pK 1) и аминогрупата (pK 2) могат да бъдат определени от средната точка, съответстваща на всеки етап. В този случай за аланин, например, получените стойности са pK 1 = 2,34, pK 2 = 9,69.

В началния момент на титруване аминокиселината присъства в разтвора като катион. При pH = 2,34, съответстващо на средната точка на първия етап, два йона присъстват в еквимоларна концентрация - катион и биполярен йон:

H 3 N + -CH(R) -COOH и H 3 N + -CH(R) -COO -

При pH = 9,69, т.е. в средата на втория етап, анион и биполярен йон присъстват в еквимоларни концентрации:

H2N-CH(R)-COO- и H3N + -CH(R)-COOH

Преходната точка между двата клона на кривата на титруване на аланин е при pH 6,02. При тази стойност на рН молекулата на аминокиселината е изцяло под формата на биполярен йон

H 3 N + -CH(R) -COO -

Той не носи пълен електрически заряд и не се движи в електрическо поле. Стойността на pH, при която аминокиселината е под формата на биполярен йон, се нарича изоелектрична точка на аминокиселината и се обозначава като pI.

Изоелектричната точка на аминокиселината се определя от стойността на две константи на дисоциация. Представлява средноаритметичната стойност между pK 1 и pK 2, т.е.

pI = --------------

И така, при ниско pH моноаминокарбоксилната киселина е в напълно протонирана форма (катион) и е двуосновна киселина, докато биполярният йон е едноосновна киселина. От двете киселинни групи - (COOH и H 3 N +), COOH групата е силна киселина. Киселините със слаб афинитет към протоните са силни киселини; те лесно отдават протони. Киселините със силен афинитет към протоните са слаби киселини; те се дисоциират леко. Всички b-аминокиселини се държат като силни електролити при всяка стойност на pH.

Разтворите на аминокиселини имат буферни свойства и техният буферен капацитет е максимален при рН, равно на рК стойността на киселинните групи. Само една аминокиселина, хистидин, има значителен буферен капацитет в диапазона на рН 6-8 (във физиологичния диапазон на рН).

PI на моноаминокарбоксилните киселини е приблизително 6, pI на дикарбоксилните киселини е в киселинната област, а диаминокиселините са в основната област. Така pI на аланин = 6,02, pI на аспарагинова киселина = 3,0, pI на лизин = 9,7.

Аминокиселините мигрират в алкални разтвори към анода, в киселинни разтвори - към катода. В изоелектричната точка няма миграция. В изоелектричната точка разтворимостта на аминокиселините е минимална. На това свойство се основава методът на изоелектрично фокусиране.

Физикохимичните и биологичните свойства на протеините се определят от техния аминокиселинен състав. Аминокиселините са аминопроизводни от класа на карбоксилните киселини. Аминокиселините не се намират само в протеините. Много от тях изпълняват специални функции. Следователно в живите организми аминокиселините се разграничават между протеиногенни (генетично кодирани) и непротеиногенни (негенетично кодирани) аминокиселини. Има 20 протеиногенни аминокиселини, 19 от които са а-аминокиселини. Това означава, че тяхната аминогрупа е прикрепена към а-въглеродния атом на карбоксилната киселина, на която те са производни. Общата формула на тези аминокиселини е следната:

Само една аминокиселина, пролин, не отговаря на тази обща формула. Класифицира се като иминокиселина.

А-въглеродният атом на аминокиселините е асиметричен (изключение прави аминопроизводното на оцетната киселина - глицин). Това означава, че всяка аминокиселина има поне 2 оптически активни антипода. Природата избра L-формата за създаване на протеини. Следователно естествените протеини са изградени от L-a-аминокиселини.

Всеки път, когато въглероден атом в молекула на органично съединение е свързан с 4 различни атома или функционални групи, атомът е асиметричен, защото може да съществува в две изомерни форми, наречени енантиомери или оптични (стерео-) изомери. Съединенията с асиметрични "С" атоми се срещат в две форми (хирални съединения) - ляво и дясно, в зависимост от посоката на въртене на равнината на поляризация на плоскополяризираната светлина. Всички стандартни аминокиселини с изключение на една (глицин) съдържат асиметричен въглероден атом в a-позиция, към който са свързани 4 заместващи групи. Следователно те имат оптична активност, тоест те могат да въртят равнината

поляризация на светлината в една или друга посока.

Обаче системата за именуване на стереоизомерите се основава не на въртенето на равнината на поляризация на светлината, а на абсолютната конфигурация на стереоизомерната молекула. За да се определи конфигурацията на оптично активните аминокиселини, те се сравняват с глицералдехид, най-простият въглехидрат с три въглерода, който съдържа асиметричен въглероден атом. Стереоизомерите на всички хирални съединения, независимо от посоката на въртене на равнината на поляризация на равнинно поляризирана светлина, съответстващи по конфигурация на L-глицералдехид, се обозначават с буквата L, а тези, съответстващи на D-глицералдехид, с буквата D. Така , буквите L и D се отнасят за абсолютната конфигурация на 4 заместващи групи при хиралния атом "C", а не за посоката на въртене на равнината на поляризация.

Аминокиселините се класифицират според структурата на техния радикал. Има различни подходи към класификацията. Повечето аминокиселини са алифатни съединения. 2 аминокиселини са представители на ароматната серия, а 2 са хетероциклични.

Аминокиселините могат да бъдат разделени според свойствата си на основни, неутрални и киселинни. Те се различават по броя на амино и карбоксилните групи в молекулата. Неутрални - съдържат една амино и една карбоксилна група (моноаминомонокарбоксилни). Киселинните имат 2 карбоксилни и една аминогрупа (моноаминодикарбоксилни), базичните - 2 аминогрупи и една карбоксилна (диаминомонокарбоксилни).

1. Всъщност 5 аминокиселини могат да бъдат наречени алифатни. Глицин или гликокол (Gly),

при работа с компютър - (G), - a-аминооцетна киселина. Това е единствената оптически неактивна аминокиселина. Глицинът се използва не само за синтез на протеини. Неговите атоми влизат в състава на нуклеотиди, хем, и е част от важен трипептид - глутатион.

Аланин (Ala), при работа с компютър - (А) - а-аминопропионова киселина. Аланинът често се използва в тялото за синтезиране на глюкоза.

По структура всички аминокиселини, с изключение на глицина, могат да се разглеждат като производни на аланин, в които един или повече водородни атоми в радикала са заменени с различни функционални групи.

Валин (Val), при работа с компютър (V) - аминоизовалерианова киселина. Левцинът (Leu, L) е аминоизокапронова киселина. Изолевцин (Ile, I) - а-амино-Ь-етил-Ь-метилпропионова киселина. Тези три аминокиселини, притежаващи изразени хидрофобни свойства, играят важна роля при формирането на пространствената структура на протеиновата молекула.

2. Хидроксиаминокиселини.Серин (Ser, S) - a-амино-b-хидроксипропионова киселина и треонин (Tre, T) - a-амино-b-хидроксимаслена киселина играят важна роля в процесите на ковалентна модификация на протеиновата структура. Тяхната хидроксилна група лесно взаимодейства с фосфорната киселина, което е необходимо за промяна на функционалната активност на протеините.

3. Сяросъдържащи аминокиселини. Цистеин (Cys, C) - a-амино-b-тиопропионова киселина. Специално свойство на цистеина е способността да се окислява (в присъствието на кислород) и да взаимодейства с друга молекула на цистеин, за да образува дисулфидна връзка и ново съединение - цистин. Благодарение на активната -SH група, тази аминокиселина лесно влиза в редокс реакции, защитавайки клетката от действието на окислители, участва в образуването на дисулфидни мостове, които стабилизират структурата на протеините и е част от активния център на ензимите. .

Метионин (Meth, M) -a-амино-b-тиометилмаслена киселина. Действа като донор на подвижна метилова група, необходима за синтеза на биологично активни съединения: холин, нуклеотиди и др. Това е хидрофобна аминокиселина.

4. Дикарбоксилни аминокиселини.Глутаминова (Glu, E) - а-аминоглутарова киселина и аспарагинова киселина (Asp, D) - а-аминоянтарна киселина. Това са най-често срещаните аминокиселини в животинските протеини. Притежавайки допълнителна карбоксилна група в радикала, тези аминокиселини насърчават йонното взаимодействие и придават заряд на протеиновата молекула. Тези аминокиселини могат да образуват амиди.

5. Амиди на дикарбоксилни аминокиселини. Глутамин (Gln, Q) и аспарагин (Asn, N). Тези аминокиселини изпълняват важна функция в неутрализирането и транспортирането на амоняка в тялото. Амидната връзка в техния състав е частично двойна по природа. Поради това амидната група има частичен положителен заряд и няма да се дисоциира.

6. Циклични аминокиселиниимат ароматен или хетероциклен пръстен в своя радикал. Фенилаланин (Phen, F) - a-амино-b-фенилпропионова киселина. Тирозин (Tyr, Y) - a-амино-b-параоксифенилпропионова киселина. Тези 2 аминокиселини образуват взаимосвързана двойка, която изпълнява важни функции в тялото, сред които трябва да се отбележи, че се използват от клетките за синтеза на редица биологично активни вещества (адреналин, тироксин).

Триптофан (Tri, W) - a-амино-b-индолилпропионова киселина. Използва се за синтеза на витамин РР, серотонин и хормони на епифизната жлеза.

Хистидинът (His, H) е a-амино-b-имидазолилпропионова киселина. Може да се използва при образуването на хистамин, който регулира пропускливостта на тъканите и проявява своя ефект при алергии.

7. Диаминмонокарбоксилни аминокиселини. Лизин (Lys, K) - диаминокапронова киселина. Аргинин (Arg, R) - a-амино-b-гуанидин-валерианова киселина. Тези аминокиселини имат допълнителна аминогрупа, която придава основни свойства на протеините, съдържащи много от тези аминокиселини. Образуването на аргинин е част от метаболитния път за детоксикация на амоняк (синтез на урея).

8. Имино киселина - пролин (Pro, P).Тя се различава от другите аминокиселини по структура. Неговият радикал образува единична циклична структура с а-аминогрупата. Поради тази характеристика не е възможно въртене около връзката между а-аминогрупата и а-въглеродния атом. Всички други аминокиселини имат способността да се въртят около тази връзка. Освен това пролинът включва вторична аминогрупа (само един водороден атом е свързан с азотния азот), която се различава по своите химични характеристики от първичната аминогрупа (-NH2) в други аминокиселини. Специално място се отделя на тази аминокиселина в структурата на колагена, където пролинът в процеса на синтеза на колаген може да се превърне в хидроксипролин.

В скоби са дадени съкращенията на аминокиселините, които са образувани от първите три букви на тривиалното им наименование. Напоследък се използват еднобуквени символи за изписване на първичната структура, което е важно при използване на компютър за работа с протеини.

Съдържанието на статията

ПРОТЕИНИ (член 1)– клас биологични полимери, присъстващи във всеки жив организъм. С участието на протеини протичат основните процеси, които осигуряват жизнените функции на тялото: дишане, храносмилане, мускулна контракция, предаване на нервни импулси. Костната тъкан, кожата, косата и роговите образувания на живите същества се състоят от протеини. За повечето бозайници растежът и развитието на тялото се осъществяват благодарение на храни, съдържащи протеини като хранителен компонент. Ролята на протеините в организма и съответно тяхната структура е много разнообразна.

Протеинов състав.

Всички протеини са полимери, чиито вериги са сглобени от аминокиселинни фрагменти. Аминокиселините са органични съединения, съдържащи в състава си (в съответствие с наименованието) аминогрупа NH2 и органична киселинна група, т.е. карбоксилна, СООН група. От цялото разнообразие от съществуващи аминокиселини (теоретично броят на възможните аминокиселини е неограничен), само тези, които имат само един въглероден атом между аминогрупата и карбоксилната група, участват в образуването на протеини. Като цяло аминокиселините, участващи в образуването на протеини, могат да бъдат представени с формулата: H 2 N–CH(R)–COOH. R групата, свързана с въглеродния атом (тази между амино и карбоксилните групи), определя разликата между аминокиселините, които образуват протеини. Тази група може да се състои само от въглеродни и водородни атоми, но по-често съдържа, в допълнение към С и Н, различни функционални (способни на по-нататъшни трансформации) групи, например HO-, H 2 N- и др. Има също опция, когато R = H.

Организмите на живите същества съдържат повече от 100 различни аминокиселини, но не всички се използват в изграждането на протеини, а само 20, така наречените „фундаментални“. В табл 1 са показани техните имена (повечето от исторически развитите имена), структурната формула, както и широко използваното съкращение. Всички структурни формули са подредени в таблицата така, че главният аминокиселинен фрагмент да е отдясно.

Сред тези двадесет аминокиселини (Таблица 1) само пролинът съдържа NH група до карбоксилната група COOH (вместо NH2), тъй като е част от цикличния фрагмент.

Осем аминокиселини (валин, левцин, изолевцин, треонин, метионин, лизин, фенилаланин и триптофан), поставени в таблицата на сив фон, се наричат ​​незаменими, тъй като тялото трябва постоянно да ги получава от протеинови храни за нормален растеж и развитие.

Протеиновата молекула се образува в резултат на последователното свързване на аминокиселини, докато карбоксилната група на една киселина взаимодейства с аминогрупата на съседна молекула, което води до образуването на пептидна връзка –CO–NH– и освобождаването на водна молекула. На фиг. Фигура 1 показва последователна комбинация от аланин, валин и глицин.

Ориз. 1 СЕРИЙНО СВЪРЗВАНЕ НА АМИНОКИСЕЛИНИпо време на образуването на протеинова молекула. Пътят от крайната аминогрупа на H2N до крайната карбоксилна група на COOH беше избран като основна посока на полимерната верига.

За компактно описание на структурата на протеинова молекула се използват съкращения за аминокиселини (Таблица 1, трета колона), участващи в образуването на полимерната верига. Фрагментът от молекулата, показан на фиг. 1 се записва по следния начин: H 2 N-ALA-VAL-GLY-COOH.

Протеиновите молекули съдържат от 50 до 1500 аминокиселинни остатъка (по-късите вериги се наричат ​​полипептиди). Индивидуалността на протеина се определя от набора от аминокиселини, които изграждат полимерната верига и, не по-малко важно, от реда на тяхното редуване по веригата. Например, молекулата на инсулина се състои от 51 аминокиселинни остатъка (това е един от протеините с най-късата верига) и се състои от две успоредни вериги с различна дължина, свързани една с друга. Редът на редуване на аминокиселинните фрагменти е показан на фиг. 2.

Ориз. 2 МОЛЕКУЛА НА ИНСУЛИНА, изграден от 51 аминокиселинни остатъка, фрагменти от идентични аминокиселини са маркирани със съответния цвят на фона. Аминокиселинните цистеинови остатъци, съдържащи се във веригата (съкратено CIS), образуват дисулфидни мостове -S-S-, които свързват две полимерни молекули или образуват мостове в една верига.

Молекулите на цистеиновите аминокиселини (Таблица 1) съдържат реактивни сулфхидридни групи –SH, които взаимодействат помежду си, образувайки дисулфидни мостове –S-S-. Ролята на цистеина в света на протеините е специална, с негово участие се образуват кръстосани връзки между полимерните протеинови молекули.

Комбинацията от аминокиселини в полимерна верига се случва в жив организъм под контрола на нуклеиновите киселини; те осигуряват строг ред на сглобяване и регулират фиксираната дължина на полимерната молекула ( см. НУКЛЕИНОВА КИСЕЛИНА).

Структура на протеините.

Съставът на протеиновата молекула, представен под формата на редуващи се аминокиселинни остатъци (фиг. 2), се нарича първична структура на протеина. Водородните връзки възникват между иминогрупите HN и карбонилните групи CO, присъстващи в полимерната верига ( см. ВОДОРОДНА ВРЪЗКА), в резултат на което протеиновата молекула придобива определена пространствена форма, наречена вторична структура. Най-често срещаните видове протеинова вторична структура са два.

Първият вариант, наречен α-спирала, се реализира с помощта на водородни връзки в една полимерна молекула. Геометричните параметри на молекулата, определени от дължините на връзките и ъглите на връзката, са такива, че е възможно образуването на водородни връзки за групите H-N и C=O, между които има два пептидни фрагмента H-N-C=O (фиг. 3).

Съставът на полипептидната верига, показан на фиг. 3, изписана съкратено, както следва:

Н 2 Н-АЛА ВАЛ-АЛА-ЛЕЙ-АЛА-АЛА-АЛА-АЛА-ВАЛ-АЛА-АЛА-АЛА-КООН.

В резултат на стесняващия ефект на водородните връзки, молекулата придобива формата на спирала - така наречената α-спирала, изобразява се като извита спирална лента, преминаваща през атомите, образуващи полимерната верига (фиг. 4)

Ориз. 4 3D МОДЕЛ НА ПРОТЕИНОВА МОЛЕКУЛАпод формата на α-спирала. Водородните връзки са показани със зелени пунктирани линии. Цилиндричната форма на спиралата се вижда при определен ъгъл на въртене (водородните атоми не са показани на фигурата). Оцветяването на отделните атоми е дадено в съответствие с международните правила, които препоръчват черно за въглеродни атоми, синьо за азот, червено за кислород, жълто за сяра (за водородни атоми, които не са показани на фигурата, се препоръчва бяло, в този случай целият структура, изобразена на тъмен фон).

Друг вариант на вторичната структура, наречена β-структура, също се образува с участието на водородни връзки, разликата е, че групите H-N и C=O на две или повече паралелно разположени полимерни вериги си взаимодействат. Тъй като полипептидната верига има посока (фиг. 1), са възможни варианти, когато посоката на веригите съвпада (паралелна β-структура, фиг. 5), или те са противоположни (антипаралелна β-структура, фиг. 6).

Полимерни вериги с различни състави могат да участват в образуването на β-структурата, докато органичните групи, оформящи полимерната верига (Ph, CH 2 OH и др.), В повечето случаи играят второстепенна роля; относителната позиция на H-N и C =O групите са решаващи. Тъй като групите H-N и C=O са насочени в различни посоки спрямо полимерната верига (нагоре и надолу на фигурата), едновременното взаимодействие на три или повече вериги става възможно.

Съставът на първата полипептидна верига на фиг. 5:

H 2 N-LEY-ALA-FEN-GLY-ALA-ALA-COOH

Състав на втората и третата верига:

H 2 N-GLY-ALA-SER-GLY-TRE-ALA-COOH

Съставът на полипептидните вериги, показан на фиг. 6, същото като на фиг. 5, разликата е, че втората верига има противоположна (в сравнение с фиг. 5) посока.

Образуването на β-структура вътре в една молекула е възможно, когато фрагмент от веригата в определена област се завърти на 180 °; в този случай два клона на една молекула имат противоположни посоки, което води до образуването на антипаралелна β-структура ( Фиг. 7).

Структурата, показана на фиг. 7 в плоско изображение, показано на фиг. 8 под формата на триизмерен модел. Секциите на β-структурата обикновено се означават просто с плоска вълнообразна лента, която преминава през атомите, които образуват полимерната верига.

Структурата на много протеини се редува между α-спирала и лентовидни β-структури, както и единични полипептидни вериги. Тяхното взаимно разположение и редуване в полимерната верига се нарича третична структура на протеина.

Методите за изобразяване на структурата на протеините са показани по-долу, използвайки примера на растителния протеин крамбин. Структурните формули на протеините, често съдържащи до стотици аминокиселинни фрагменти, са сложни, тромави и трудни за разбиране, поради което понякога се използват опростени структурни формули - без символи на химични елементи (фиг. 9, вариант А), но при в същото време запазват цвета на валентните щрихи в съответствие с международните правила (фиг. 4). В този случай формулата се представя не в плоско, а в пространствено изображение, което съответства на реалната структура на молекулата. Този метод позволява например да се разграничат дисулфидни мостове (подобни на тези, открити в инсулина, фиг. 2), фенилови групи в страничната рамка на веригата и т.н. Изображението на молекулите под формата на триизмерни модели (топки свързани с пръти) е малко по-ясен (фиг. 9, вариант B). И двата метода обаче не позволяват показване на третичната структура, така че американският биофизик Джейн Ричардсън предложи изобразяване на α-структури под формата на спирално усукани ленти (виж фиг. 4), β-структури под формата на плоски вълнообразни ленти (фиг. 8) и свързването им с единични вериги - под формата на тънки снопове, всеки тип структура има свой собствен цвят. Този метод за изобразяване на третичната структура на протеин сега е широко използван (фиг. 9, вариант B). Понякога, за по-голяма информация, третичната структура и опростената структурна формула се показват заедно (фиг. 9, опция D). Съществуват и модификации на метода, предложен от Ричардсън: α-спиралите са изобразени като цилиндри, а β-структурите са изобразени под формата на плоски стрелки, показващи посоката на веригата (фиг. 9, опция E). По-рядко срещан метод е, при който цялата молекула е изобразена под формата на въже, където неравните структури са подчертани с различни цветове, а дисулфидните мостове са показани като жълти мостове (Фиг. 9, опция Е).

Най-удобен за възприемане е вариант Б, когато при изобразяване на третичната структура не са посочени структурните характеристики на протеина (фрагменти на аминокиселини, редът на тяхното редуване, водородни връзки) и се приема, че всички протеини съдържат „детайли ” взети от стандартен набор от двадесет аминокиселини (Таблица 1). Основната задача при изобразяване на третична структура е да се покаже пространственото разположение и редуване на вторичните структури.

Ориз. 9 РАЗЛИЧНИ ВАРИАНТИ ЗА ПРЕДСТАВЯНЕ НА СТРУКТУРАТА НА КРЪМБИН ПРОТЕИН.
А – структурна формула в пространствено изображение.
B – структура под формата на триизмерен модел.
B – третична структура на молекулата.
D – комбинация от опции A и B.
D – опростено изображение на третичната структура.
E – третична структура с дисулфидни мостове.

Най-удобна за възприемане е обемната третична структура (вариант Б), освободена от детайлите на структурната формула.

Белтъчна молекула с третична структура, като правило, придобива определена конфигурация, която се формира от полярни (електростатични) взаимодействия и водородни връзки. В резултат на това молекулата приема формата на компактна топка - глобуларни протеини (глобули, лат. топка), или нишковидни - фибриларни протеини (фибра, лат. фибри).

Пример за глобуларна структура е протеиновият албумин; класът на албумин включва белтък от пилешко яйце. Полимерната верига на албумина е съставена главно от аланин, аспарагинова киселина, глицин и цистеин, редуващи се в определен ред. Третичната структура съдържа α-спирали, свързани с единични вериги (фиг. 10).

Ориз. 10 ГЛОБУЛНА СТРУКТУРА НА АЛБУМИНА

Пример за фибриларна структура е протеинът фиброин. Те съдържат голям брой глицинови, аланинови и серинови остатъци (всеки втори аминокиселинен остатък е глицин); Няма цистеинови остатъци, съдържащи сулфхидридни групи. Фиброинът, основният компонент на естествената коприна и паяжините, съдържа β-структури, свързани с единични вериги (фиг. 11).

Ориз. единадесет ФИБРИЛАРЕН ПРОТЕИН ФИБРОИН

Възможността за образуване на третична структура от определен тип е присъща на първичната структура на протеина, т.е. определен предварително от реда на редуване на аминокиселинните остатъци. От някои набори от такива остатъци възникват предимно α-спирали (има доста такива набори), друг набор води до появата на β-структури, единичните вериги се характеризират с техния състав.

Някои протеинови молекули, запазвайки своята третична структура, са способни да се комбинират в големи супрамолекулни агрегати, докато се държат заедно чрез полярни взаимодействия, както и водородни връзки. Такива образувания се наричат ​​кватернерна структура на протеина. Например протеинът феритин, състоящ се главно от левцин, глутаминова киселина, аспарагинова киселина и хистидин (ферицинът съдържа всичките 20 аминокиселинни остатъка в различни количества), образува третична структура от четири успоредни α-спирали. Когато молекулите се комбинират в един ансамбъл (фиг. 12), се образува кватернерна структура, която може да включва до 24 феритинови молекули.

Фиг.12 ФОРМИРАНЕ НА КВАТЕРНЕРНАТА СТРУКТУРА НА ГЛОБУЛАРНИЯ ПРОТЕИН ФЕРИТИН

Друг пример за супрамолекулни образувания е структурата на колагена. Това е фибриларен протеин, чиито вериги са изградени основно от глицин, редуващ се с пролин и лизин. Структурата съдържа единични вериги, тройни α-спирали, редуващи се с лентовидни β-структури, подредени в паралелни снопове (фиг. 13).

Фиг.13 НАДМОЛЕКУЛНА СТРУКТУРА НА ФИБРИЛАРЕН КОЛАГЕН ПРОТЕИН

Химични свойства на протеините.

Под действието на органични разтворители, отпадъчни продукти на някои бактерии (млечнокисела ферментация) или с повишаване на температурата, разрушаването на вторичните и третичните структури става без увреждане на първичната му структура, в резултат на което протеинът губи разтворимост и губи биологична активност, този процес се нарича денатурация, тоест загуба на естествени свойства, например подсирване на кисело мляко, коагулиран белтък на варено пилешко яйце. При повишени температури протеините на живите организми (по-специално микроорганизмите) бързо се денатурират. Такива протеини не могат да участват в биологични процеси, в резултат на това микроорганизмите умират, така че вареното (или пастьоризирано) мляко може да се запази по-дълго.

Пептидните връзки H-N-C=O, които образуват полимерната верига на протеинова молекула, се хидролизират в присъствието на киселини или основи, което води до разкъсване на полимерната верига, което в крайна сметка може да доведе до оригиналните аминокиселини. Пептидните връзки, които са част от α-спирали или β-структури, са по-устойчиви на хидролиза и различни химични влияния (в сравнение със същите връзки в единични вериги). По-деликатно разглобяване на протеиновата молекула на нейните съставни аминокиселини се извършва в безводна среда с помощта на хидразин H 2 N–NH 2, докато всички фрагменти на аминокиселини, с изключение на последния, образуват така наречените хидразиди на карбоксилната киселина, съдържащи фрагмента C(O)–HN–NH 2 (фиг. 14).

Ориз. 14. ПОЛИПЕПТИДЕН РАЗДЕЛ

Такъв анализ може да даде информация за аминокиселинния състав на определен протеин, но по-важно е да се знае тяхната последователност в протеиновата молекула. Един от широко използваните методи за тази цел е действието на фенил изотиоцианат (FITC) върху полипептидната верига, която в алкална среда е прикрепена към полипептида (от края, който съдържа аминогрупата), и когато реакцията на околната среда се променя на кисела, тя се отделя от веригата, отнасяйки със себе си фрагмент от една аминокиселина (фиг. 15).

Ориз. 15 ПОСЛЕДОВАТЕЛНО РАЗДЕЛЯНЕ НА ПОЛИПЕПТИДА

За такъв анализ са разработени много специални техники, включително тези, които започват да "разглобяват" протеиновата молекула на нейните съставни компоненти, като се започне от карбоксилния край.

S-S кръстосани дисулфидни мостове (образувани от взаимодействието на цистеинови остатъци, фиг. 2 и 9) се разцепват, превръщайки ги в HS групи чрез действието на различни редуциращи агенти. Действието на окислителите (кислород или водороден прекис) отново води до образуване на дисулфидни мостове (фиг. 16).

Ориз. 16. РАЗКЪПВАНЕ НА ДИСУЛФИДНИ МОСТОВЕ

За създаване на допълнителни напречни връзки в протеините се използва реактивността на амино и карбоксилни групи. Аминогрупите, които са разположени в страничната рамка на веригата, са по-достъпни за различни взаимодействия - фрагменти на лизин, аспарагин, лизин, пролин (Таблица 1). Когато такива аминогрупи взаимодействат с формалдехид, възниква процес на кондензация и се появяват напречни мостове –NH–CH2–NH– (фиг. 17).

Ориз. 17 СЪЗДАВАНЕ НА ДОПЪЛНИТЕЛНИ НАПРЯСНИ МОСТОВЕ МЕЖДУ ПРОТЕИНОВИТЕ МОЛЕКУЛИ.

Крайните карбоксилни групи на протеина са способни да реагират със сложни съединения на някои поливалентни метали (по-често се използват хромни съединения), а също така възникват кръстосани връзки. И двата процеса се използват при дъбене на кожа.

Ролята на протеините в организма.

Ролята на протеините в организма е разнообразна.

Ензими(ферментация лат. – ферментация), другото им име е ензими (en zumh гръцки. - в дрождите) са протеини с каталитична активност, те са способни да увеличат скоростта на биохимичните процеси хиляди пъти. Под действието на ензимите съставните компоненти на храната: протеини, мазнини и въглехидрати се разграждат до по-прости съединения, от които след това се синтезират нови макромолекули, необходими за определен тип организъм. Ензимите също участват в много процеси на биохимичен синтез, например в синтеза на протеини (някои протеини помагат за синтеза на други). См. ЕНЗИМИ

Ензимите са не само високоефективни катализатори, но и селективни (насочват реакцията строго в дадена посока). При тях реакцията протича с почти 100% добив без образуване на странични продукти, а условията са меки: нормално атмосферно налягане и температура на живия организъм. За сравнение, синтезът на амоняк от водород и азот в присъствието на катализатор - активирано желязо - се извършва при 400–500 ° C и налягане от 30 MPa, добивът на амоняк е 15–25% на цикъл. Ензимите се считат за ненадминати катализатори.

Интензивните изследвания на ензимите започват в средата на 19 век; сега са изследвани повече от 2000 различни ензими, това е най-разнообразният клас протеини.

Имената на ензимите са както следва: окончанието -ase се добавя към името на реагента, с който ензимът взаимодейства, или към името на катализираната реакция, например аргиназата разлага аргинин (таблица 1), декарбоксилазата катализира декарбоксилирането, т.е. отстраняване на CO 2 от карбоксилната група:

– COOH → – CH + CO 2

Често, за да се посочи по-точно ролята на ензима, както обектът, така и типът на реакцията се посочват в името му, например алкохолна дехидрогеназа, ензим, който извършва дехидрогениране на алкохоли.

За някои ензими, открити доста отдавна, е запазено историческото наименование (без окончанието -аза), например пепсин (pepsis, Гръцки. храносмилане) и трипсин (thrypsis Гръцки. втечняване), тези ензими разграждат протеините.

За систематизиране ензимите се комбинират в големи класове, класификацията се основава на вида на реакцията, класовете се наименуват според общия принцип - името на реакцията и окончанието - аза. Някои от тези класове са изброени по-долу.

Оксидоредуктази– ензими, които катализират редокс реакциите. Дехидрогеназите, включени в този клас, извършват протонен трансфер, например алкохол дехидрогеназата (ADH) окислява алкохолите до алдехиди, последващото окисление на алдехиди до карбоксилни киселини се катализира от алдехид дехидрогенази (ALDH). И двата процеса протичат в организма при превръщането на етанола в оцетна киселина (фиг. 18).

Ориз. 18 ДВУСТЪПНО ОКИСЛЕНИЕ НА ЕТАНОЛкъм оцетна киселина

Наркотичен ефект има не етанолът, а междинният продукт ацеталдехид; колкото по-ниска е активността на ензима ALDH, толкова по-бавно протича вторият етап - окислението на ацеталдехида до оцетна киселина и толкова по-дълъг и по-силен е опияняващият ефект от поглъщането етанол. Анализът показа, че повече от 80% от представителите на жълтата раса имат относително ниска активност на ALDH и следователно имат значително по-тежка толерантност към алкохола. Причината за тази вродена намалена активност на ALDH е, че някои от остатъците от глутаминова киселина в „отслабената“ молекула на ALDH са заменени от лизинови фрагменти (Таблица 1).

Трансферази– ензими, които катализират преноса на функционални групи, например трансиминазата катализира движението на аминогрупа.

Хидролази– ензими, които катализират хидролизата. Споменатите по-горе трипсин и пепсин хидролизират пептидните връзки, а липазите разцепват естерната връзка в мазнините:

–RC(O)OR 1 +H 2 O → –RC(O)OH + HOR 1

Лиази– ензими, които катализират реакции, които не протичат хидролитично; в резултат на такива реакции връзките C-C, C-O, C-N се разкъсват и се образуват нови връзки. Ензимът декарбоксилаза принадлежи към този клас

Изомерази– ензими, които катализират изомеризацията, например превръщането на малеинова киселина във фумарова киселина (фиг. 19), това е пример за цис-транс изомеризация (виж ИЗОМЕРИЯ).

Ориз. 19. ИЗОМЕРИЗАЦИЯ НА МАЛЕИНОВА КИСЕЛИНАдо фумарова в присъствието на ензим.

В работата на ензимите се спазва общ принцип, според който винаги има структурно съответствие между ензима и реагента на ускорената реакция. Според образния израз на един от основателите на учението за ензимите Е. Фишър, реактивът пасва на ензима като ключ към ключалка. В тази връзка всеки ензим катализира определена химична реакция или група реакции от същия тип. Понякога ензимът може да действа върху едно единствено съединение, например уреаза (урон Гръцки. – урина) катализира само хидролизата на уреята:

(H 2 N) 2 C = O + H 2 O = CO 2 + 2NH 3

Най-фина селективност проявяват ензимите, които разграничават оптически активните антиподи - леви и десни изомери. L-аргиназата действа само върху лявовъртящия аргинин и не засяга дясновъртещия изомер. L-лактатдехидрогеназата действа само върху лявовъртящите естери на млечната киселина, така наречените лактати (lactis лат. мляко), докато D-лактат дехидрогеназата разгражда изключително D-лактати.

Повечето ензими действат не върху едно, а върху група свързани съединения, например трипсинът „предпочита“ да разцепва пептидни връзки, образувани от лизин и аргинин (Таблица 1.)

Каталитичните свойства на някои ензими, като хидролази, се определят единствено от структурата на самата протеинова молекула; друг клас ензими - оксидоредуктази (например алкохол дехидрогеназа) могат да бъдат активни само в присъствието на непротеинови молекули, свързани с тях - витамини, активиращи йони Mg, Ca, Zn, Mn и фрагменти от нуклеинови киселини (фиг. 20).

Ориз. 20 МОЛЕКУЛА НА АЛКОХОЛ ДЕХИДРОГЕНАЗА

Транспортните протеини свързват и транспортират различни молекули или йони през клетъчните мембрани (както вътре, така и извън клетката), както и от един орган към друг.

Например, хемоглобинът свързва кислорода, докато кръвта преминава през белите дробове и го доставя до различни тъкани на тялото, където кислородът се освобождава и след това се използва за окисляване на хранителните компоненти, този процес служи като източник на енергия (понякога терминът "изгаряне" от храната в тялото се използва).

В допълнение към протеиновата част хемоглобинът съдържа сложно съединение на желязото с цикличната молекула порфирин (porphyros Гръцки. – лилаво), което причинява червения цвят на кръвта. Именно този комплекс (фиг. 21, вляво) играе ролята на преносител на кислород. В хемоглобина порфириновият железен комплекс се намира вътре в протеиновата молекула и се задържа на място чрез полярни взаимодействия, както и чрез координационна връзка с азота в хистидина (Таблица 1), който е част от протеина. Молекулата O2, носена от хемоглобина, е прикрепена чрез координационна връзка към железния атом от страната, противоположна на тази, към която е прикрепен хистидинът (фиг. 21, вдясно).

Ориз. 21 СТРУКТУРА НА ЖЕЛЕЗНИЯ КОМПЛЕКС

Структурата на комплекса е показана вдясно под формата на триизмерен модел. Комплексът се задържа в протеиновата молекула чрез координационна връзка (синя пунктирана линия) между Fe атома и N атома в хистидина, който е част от протеина. Молекулата O2, носена от хемоглобина, е координирано свързана (червена пунктирана линия) към Fe атома от противоположната страна на планарния комплекс.

Хемоглобинът е един от най-задълбочено проучените протеини, той се състои от а-спирали, свързани с единични вериги, и съдържа четири железни комплекса. По този начин хемоглобинът е като обемна опаковка за транспортиране на четири молекули кислород наведнъж. Формата на хемоглобина съответства на глобуларните протеини (фиг. 22).

Ориз. 22 ГЛОБУЛНА ФОРМА НА ХЕМОГЛОБИН

Основното "предимство" на хемоглобина е, че добавянето на кислород и последващото му елиминиране по време на прехвърлянето към различни тъкани и органи става бързо. Въглеродният окис, CO (въглероден окис), се свързва с Fe в хемоглобина още по-бързо, но за разлика от O 2 образува комплекс, който е труден за разрушаване. В резултат на това такъв хемоглобин не е в състояние да свърже O 2, което води (при вдишване на големи количества въглероден окис) до смърт на тялото от задушаване.

Втората функция на хемоглобина е преносът на издишания CO2, но в процеса на временно свързване на въглеродния диоксид не участва атомът на желязото, а H2N-групата на протеина.

„Ефективността“ на протеините зависи от тяхната структура, например заместването на единичния аминокиселинен остатък на глутаминовата киселина в полипептидната верига на хемоглобина с остатък от валин (рядка вродена аномалия) води до заболяване, наречено сърповидноклетъчна анемия.

Има и транспортни протеини, които могат да свързват мазнини, глюкоза и аминокиселини и да ги транспортират както вътре, така и извън клетките.

Транспортните протеини от специален тип не транспортират самите вещества, но изпълняват функциите на „регулатор на транспорта“, преминавайки определени вещества през мембраната (външната стена на клетката). Такива протеини по-често се наричат ​​мембранни протеини. Те имат формата на кух цилиндър и, като са вградени в стената на мембраната, осигуряват движението на някои полярни молекули или йони в клетката. Пример за мембранен протеин е поринът (фиг. 23).

Ориз. 23 ПОРИН ПРОТЕИН

Хранителните и запасните протеини, както подсказва името, служат като източници на вътрешно хранене, най-често за ембрионите на растенията и животните, както и в ранните стадии на развитие на младите организми. Хранителните протеини включват албумин (фиг. 10), основният компонент на яйчния белтък, и казеин, основният протеин на млякото. Под въздействието на ензима пепсин, казеинът коагулира в стомаха, което осигурява задържането му в храносмилателния тракт и ефективното му усвояване. Казеинът съдържа фрагменти от всички аминокиселини, необходими на тялото.

Феритинът (фиг. 12), който се съдържа в животинските тъкани, съдържа железни йони.

Съхраняващите протеини също включват миоглобин, който е подобен по състав и структура на хемоглобина. Миоглобинът е концентриран главно в мускулите, основната му роля е да съхранява кислорода, който му дава хемоглобинът. Той бързо се насища с кислород (много по-бързо от хемоглобина) и след това постепенно го прехвърля в различни тъкани.

Структурните протеини изпълняват защитна функция (кожа) или поддържаща функция - те държат тялото заедно в едно цяло и му придават сила (хрущял и сухожилия). Основният им компонент е фибриларният протеин колаген (фиг. 11), най-разпространеният протеин в животинския свят в тялото на бозайниците, съставляващ почти 30% от общата маса на протеините. Колагенът има висока якост на опън (здравината на кожата е известна), но поради ниското съдържание на напречни връзки в колагена на кожата животинските кожи са малко полезни в суров вид за производството на различни продукти. За да се намали набъбването на кожата във вода, свиването по време на сушене, както и да се увеличи здравината в напоено състояние и да се увеличи еластичността на колагена, се създават допълнителни напречни връзки (фиг. 15а), това е така нареченият процес на дъбене на кожата .

В живите организми колагеновите молекули, които възникват по време на растежа и развитието на организма, не се обновяват и не се заменят с новосинтезирани. С напредване на възрастта в тялото се увеличава броят на кръстосаните връзки в колагена, което води до намаляване на неговата еластичност и тъй като не настъпва обновяване, се появяват свързани с възрастта промени - увеличаване на крехкостта на хрущялите и сухожилията и външния вид на бръчки по кожата.

Ставните връзки съдържат еластин, структурен протеин, който лесно се разтяга в две измерения. Протеинът резилин, който се намира в шарнирите на крилата на някои насекоми, има най-голяма еластичност.

Вроговени образувания - коса, нокти, пера, състоящи се предимно от кератинов протеин (фиг. 24). Основната му разлика е забележимото съдържание на цистеинови остатъци, които образуват дисулфидни мостове, което придава висока еластичност (способността да възстанови първоначалната си форма след деформация) на косата, както и на вълнените тъкани.

Ориз. 24. ФРАГМЕНТ ОТ ФИБРИЛАРЕН ПРОТЕИН КЕРАТИН

За да промените необратимо формата на кератинов обект, първо трябва да разрушите дисулфидните мостове с помощта на редуциращ агент, да придадете нова форма и след това отново да създадете дисулфидни мостове с помощта на окислител (фиг. 16), това е точно това, което се прави, например, къдрене на косата.

С увеличаване на съдържанието на цистеинови остатъци в кератина и съответно увеличаване на броя на дисулфидните мостове, способността за деформация изчезва, но се появява висока якост (рогата на копитни животни и черупки на костенурки съдържат до 18% цистеин фрагменти). Тялото на бозайниците съдържа до 30 различни вида кератин.

Фибриларният протеин фиброин, свързан с кератина, секретиран от гъсеници на копринени буби при извиване на пашкул, както и от паяци при тъкане на мрежа, съдържа само β-структури, свързани с единични вериги (фиг. 11). За разлика от кератина, фиброинът няма кръстосани дисулфидни мостове и има голяма якост на опън (якостта на единица напречно сечение на някои проби от мрежата е по-висока от тази на стоманените кабели). Поради липсата на кръстосани връзки, фиброинът е нееластичен (известно е, че вълнените тъкани са почти устойчиви на бръчки, докато копринените се намачкват лесно).

Регулаторни протеини.

Регулаторните протеини, по-често наричани хормони, участват в различни физиологични процеси. Например, хормонът инсулин (фиг. 25) се състои от две α-вериги, свързани с дисулфидни мостове. Инсулинът регулира метаболитните процеси с участието на глюкоза, липсата му води до диабет.

Ориз. 25 ПРОТЕИН ИНСУЛИН

Хипофизната жлеза на мозъка синтезира хормон, който регулира растежа на тялото. Има регулаторни протеини, които контролират биосинтезата на различни ензими в тялото.

Контрактилните и моторните протеини дават на тялото способността да се свива, променя формата си и се движи, най-вече на мускулите. 40% от масата на всички протеини, съдържащи се в мускулите, е миозин (mys, myos, Гръцки. - мускул). Молекулата му съдържа фибриларни и глобуларни части (фиг. 26)

Ориз. 26 МОЛЕКУЛА МИОЗИН

Такива молекули се комбинират в големи агрегати, съдържащи 300–400 молекули.

Когато концентрацията на калциеви йони се промени в пространството около мускулните влакна, настъпва обратима промяна в конформацията на молекулите - промяна във формата на веригата поради въртенето на отделни фрагменти около валентни връзки. Това води до свиване и отпускане на мускулите; сигналът за промяна на концентрацията на калциевите йони идва от нервните окончания в мускулните влакна. Изкуственото свиване на мускулите може да бъде причинено от действието на електрически импулси, което води до рязка промяна в концентрацията на калциеви йони; стимулирането на сърдечния мускул се основава на това за възстановяване на сърдечната функция.

Защитните протеини спомагат за защитата на тялото от нахлуването на атакуващи бактерии, вируси и от проникването на чужди протеини (общото наименование на чуждите тела е антигени). Ролята на защитни протеини се изпълнява от имуноглобулини (друго име за тях е антитела), те разпознават антигени, които са влезли в тялото и се свързват здраво с тях. В тялото на бозайниците, включително хората, има пет класа имуноглобулини: M, G, A, D и E, тяхната структура, както подсказва името, е глобуларна, освен това всички те са изградени по подобен начин. Молекулярната организация на антителата е показана по-долу с помощта на примера на имуноглобулин от клас G (фиг. 27). Молекулата съдържа четири полипептидни вериги, свързани с три S-S дисулфидни моста (те са показани на Фиг. 27 с удебелени валентни връзки и големи S символи), освен това всяка полимерна верига съдържа вътрешноверижни дисулфидни мостове. Двете големи полимерни вериги (в синьо) съдържат 400–600 аминокиселинни остатъка. Другите две вериги (в зелено) са почти наполовина по-дълги и съдържат приблизително 220 аминокиселинни остатъка. И четирите вериги са подредени по такъв начин, че крайните H 2 N групи са насочени в една и съща посока.

Ориз. 27 СХЕМАТИЧНО ПРЕДСТАВЯНЕ НА СТРУКТУРАТА НА ИМУНОГЛОБУЛИНА

След като тялото влезе в контакт с чужд протеин (антиген), клетките на имунната система започват да произвеждат имуноглобулини (антитела), които се натрупват в кръвния серум. На първия етап основната работа се извършва от участъци от веригите, съдържащи терминал H 2 N (на фиг. 27 съответните участъци са маркирани в светло синьо и светло зелено). Това са области на улавяне на антиген. По време на синтеза на имуноглобулин тези области се образуват по такъв начин, че тяхната структура и конфигурация максимално съответстват на структурата на приближаващия антиген (като ключ към ключалка, като ензими, но задачите в този случай са различни). Така за всеки антиген се създава строго индивидуално антитяло като имунен отговор. Никой известен протеин не може да промени структурата си толкова „пластично“ в зависимост от външни фактори, в допълнение към имуноглобулините. Ензимите решават проблема със структурното съответствие с реагента по различен начин - с помощта на гигантски набор от различни ензими, като се вземат предвид всички възможни случаи, а имуноглобулините всеки път възстановяват „работния инструмент“. Освен това шарнирната област на имуноглобулина (фиг. 27) осигурява на двете зони на улавяне известна независима мобилност; в резултат на това имуноглобулиновата молекула може да „намери“ едновременно двете най-удобни места за улавяне в антигена, за да се улови сигурно поправете го, това напомня на действията на ракообразно същество.

След това се активира верига от последователни реакции на имунната система на организма, свързват се имуноглобулини от други класове, в резултат на което чуждият протеин се деактивира и след това антигенът (чужд микроорганизъм или токсин) се унищожава и отстранява.

След контакт с антигена се постига максимална концентрация на имуноглобулин (в зависимост от естеството на антигена и индивидуалните характеристики на самия организъм) в рамките на няколко часа (понякога няколко дни). Тялото запазва паметта за такъв контакт и при повторна атака от същия антиген имуноглобулините се натрупват в кръвния серум много по-бързо и в по-големи количества - възниква придобит имунитет.

Горната класификация на протеини е донякъде произволна, например протеинът тромбин, споменат сред защитните протеини, е по същество ензим, който катализира хидролизата на пептидните връзки, тоест принадлежи към класа на протеазите.

Защитните протеини често включват протеини от змийска отрова и токсични протеини от някои растения, тъй като тяхната задача е да предпазват тялото от увреждане.

Има протеини, чиито функции са толкова уникални, че ги прави трудни за класифициране. Например протеинът монелин, открит в африканско растение, има много сладък вкус и е изследван като нетоксично вещество, което може да се използва вместо захар за предотвратяване на затлъстяването. Кръвната плазма на някои антарктически риби съдържа протеини с антифризни свойства, което предотвратява замръзването на кръвта на тези риби.

Изкуствен протеинов синтез.

Кондензацията на аминокиселини, водеща до полипептидна верига, е добре проучен процес. Възможно е, например, да се извърши кондензация на всяка една аминокиселина или смес от киселини и съответно да се получи полимер, съдържащ идентични единици или различни единици, редуващи се в произволен ред. Такива полимери имат малка прилика с естествените полипептиди и нямат биологична активност. Основната задача е да се комбинират аминокиселини в строго определен, предварително определен ред, за да се възпроизведе последователността на аминокиселинните остатъци в естествените протеини. Американският учен Робърт Мерифийлд предложи оригинален метод, който направи възможно решаването на този проблем. Същността на метода е, че първата аминокиселина се прикрепя към неразтворим полимерен гел, който съдържа реактивни групи, които могат да се комбинират с –COOH – групите на аминокиселината. Като такъв полимерен субстрат беше взет омрежен полистирен с въведени в него хлорометилови групи. За да се предотврати аминокиселината, взета за реакцията, да реагира сама със себе си и да се предотврати присъединяването й към H 2 N групата към субстрата, аминогрупата на тази киселина първо се блокира с обемист заместител [(C 4 H 9) 3 ] 3 OS (O) група. След като аминокиселината се прикрепи към полимерната подложка, блокиращата група се отстранява и в реакционната смес се въвежда друга аминокиселина, която също има предварително блокирана H2N група. В такава система е възможно само взаимодействието на H 2 N-групата на първата аминокиселина и групата –COOH на втората киселина, което се извършва в присъствието на катализатори (фосфониеви соли). След това цялата схема се повтаря, като се въвежда третата аминокиселина (фиг. 28).

Ориз. 28. СХЕМА ЗА СИНТЕЗ НА ПОЛИПЕПТИДНИ ВЕРИГИ

На последния етап получените полипептидни вериги се отделят от полистиреновата подложка. Сега целият процес е автоматизиран, има автоматични пептидни синтезатори, които работят по описаната схема. По този метод са синтезирани много пептиди, използвани в медицината и селското стопанство. Също така беше възможно да се получат подобрени аналози на естествени пептиди със селективни и подобрени ефекти. Синтезират се някои малки протеини, като хормона инсулин и някои ензими.

Има и методи за синтез на протеини, които копират естествените процеси: те синтезират фрагменти от нуклеинови киселини, конфигурирани да произвеждат определени протеини, след което тези фрагменти се вграждат в жив организъм (например в бактерия), след което тялото започва да произвежда желания протеин. По този начин сега се получават значителни количества труднодостъпни протеини и пептиди, както и техните аналози.

Протеините като хранителни източници.

Протеините в живия организъм непрекъснато се разграждат до първоначалните си аминокиселини (с незаменимото участие на ензими), едни аминокиселини се трансформират в други, след което протеините се синтезират отново (също с участието на ензими), т.е. тялото постоянно се обновява. Някои протеини (колагенът на кожата и косата) не се обновяват, тялото непрекъснато ги губи и в замяна синтезира нови. Протеините като хранителни източници изпълняват две основни функции: доставят на тялото строителен материал за синтеза на нови протеинови молекули и освен това доставят на тялото енергия (източници на калории).

Месоядните бозайници (включително хората) получават необходимите протеини от растителна и животинска храна. Нито един от протеините, получени от храната, не се включва в тялото непроменен. В храносмилателния тракт всички абсорбирани протеини се разграждат до аминокиселини и от тях се изграждат необходимите за даден организъм протеини, докато от 8-те незаменими киселини (Таблица 1) останалите 12 могат да се синтезират в организма, ако се не се доставят в достатъчни количества с храната, но есенциалните киселини трябва задължително да се доставят с храната. Тялото получава серни атоми в цистеин с основната аминокиселина метионин. Някои от протеините се разграждат, освобождавайки енергията, необходима за поддържане на живота, и съдържащият се в тях азот се изхвърля от тялото чрез урината. Обикновено човешкото тяло губи 25-30 g протеин на ден, така че протеиновите храни винаги трябва да присъстват в необходимото количество. Минималната дневна нужда от протеини е 37 г за мъжете и 29 г за жените, но препоръчителният прием е почти два пъти по-висок. Когато оценявате хранителните продукти, е важно да вземете предвид качеството на протеина. При липса или ниско съдържание на незаменими аминокиселини, протеинът се счита за малоценен, така че такива протеини трябва да се консумират в по-големи количества. По този начин протеините от бобови растения съдържат малко метионин, а протеините от пшеница и царевица са с ниско съдържание на лизин (и двете основни аминокиселини). Животинските протеини (с изключение на колагените) се класифицират като пълноценни хранителни продукти. Пълен набор от всички незаменими киселини съдържа млечен казеин, както и извара и сирене, направено от него, така че вегетарианската диета, ако е много строга, т.е. “безмлечни” изисква повишена консумация на бобови растения, ядки и гъби, за да се снабдят организма с есенциални аминокиселини в необходимите количества.

Синтетичните аминокиселини и протеини също се използват като хранителни продукти, добавяйки ги към фуражи, които съдържат незаменими аминокиселини в малки количества. Има бактерии, които могат да обработват и асимилират нефтени въглеводороди, в този случай, за пълен синтез на протеини, те трябва да се хранят с азотсъдържащи съединения (амоняк или нитрати). Полученият по този начин протеин се използва като храна за добитък и птици. Към храната на домашните животни често се добавя набор от ензими - карбохидрази, които катализират хидролизата на трудни за разграждане компоненти на въглехидратните храни (клетъчните стени на зърнените култури), в резултат на което растителните храни се усвояват по-пълно.

Михаил Левицки

ПРОТЕИНИ (статия 2)

(протеини), клас сложни азотсъдържащи съединения, най-характерните и важни (заедно с нуклеиновите киселини) компоненти на живата материя. Протеините изпълняват многобройни и разнообразни функции. Повечето протеини са ензими, които катализират химичните реакции. Много хормони, които регулират физиологичните процеси, също са протеини. Структурни протеини като колаген и кератин са основните компоненти на костната тъкан, косата и ноктите. Мускулните контрактилни протеини имат способността да променят дължината си чрез използване на химическа енергия за извършване на механична работа. Протеините включват антитела, които свързват и неутрализират токсични вещества. Някои протеини, които могат да реагират на външни влияния (светлина, миризма), служат като рецептори в сетивата, които възприемат дразнене. Много протеини, разположени вътре в клетката и върху клетъчната мембрана, изпълняват регулаторни функции.

През първата половина на 19в. много химици, и сред тях преди всичко J. von Liebig, постепенно стигнаха до извода, че протеините представляват специален клас азотни съединения. Името "протеини" (от гръцки протос - първи) е предложено през 1840 г. от холандския химик Г. Мулдер.

ФИЗИЧНИ СВОЙСТВА

Протеините са бели в твърдо състояние, но безцветни в разтвор, освен ако не носят някакъв вид хромофорна (цветна) група, като хемоглобин. Разтворимостта във вода варира значително между различните протеини. Той също така се променя в зависимост от pH и концентрацията на соли в разтвора, така че е възможно да се изберат условия, при които един протеин ще се утаи избирателно в присъствието на други протеини. Този метод на "осоляване" се използва широко за изолиране и пречистване на протеини. Пречистеният протеин често се утаява от разтвора като кристали.

В сравнение с други съединения, молекулното тегло на протеините е много голямо - от няколко хиляди до много милиони далтона. Следователно по време на ултрацентрофугиране протеините се утаяват и то с различни скорости. Поради наличието на положително и отрицателно заредени групи в белтъчните молекули, те се движат с различна скорост и в електрическо поле. Това е в основата на електрофорезата, метод, използван за изолиране на отделни протеини от сложни смеси. Протеините също се пречистват чрез хроматография.

ХИМИЧНИ СВОЙСТВА

Структура.

Протеините са полимери, т.е. молекули, изградени като вериги от повтарящи се мономерни единици или субединици, ролята на които се играе от алфа аминокиселини. Обща формула на аминокиселините

където R е водороден атом или някаква органична група.

Една протеинова молекула (полипептидна верига) може да се състои само от относително малък брой аминокиселини или няколко хиляди мономерни единици. Комбинацията от аминокиселини във верига е възможна, тъй като всяка от тях има две различни химични групи: основна аминогрупа, NH2, и киселинна карбоксилна група, COOH. И двете групи са прикрепени към а-въглеродния атом. Карбоксилната група на една аминокиселина може да образува амидна (пептидна) връзка с аминогрупата на друга аминокиселина:

След като две аминокиселини са свързани по този начин, веригата може да бъде удължена чрез добавяне на трета към втората аминокиселина и т.н. Както може да се види от горното уравнение, когато се образува пептидна връзка, се освобождава водна молекула. В присъствието на киселини, основи или протеолитични ензими реакцията протича в обратна посока: полипептидната верига се разделя на аминокиселини с добавяне на вода. Тази реакция се нарича хидролиза. Хидролизата настъпва спонтанно и е необходима енергия за свързване на аминокиселините в полипептидна верига.

Карбоксилна група и амидна група (или подобна имидна група в случая на аминокиселината пролин) присъстват във всички аминокиселини, но разликите между аминокиселините се определят от природата на групата или „страничната верига“, което е обозначено по-горе с буквата R. Ролята на страничната верига може да се играе от един водороден атом, като аминокиселината глицин, и някаква обемна група, като хистидин и триптофан. Някои странични вериги са химически инертни, докато други са подчертано реактивни.

Много хиляди различни аминокиселини могат да бъдат синтезирани и много различни аминокиселини се срещат в природата, но само 20 вида аминокиселини се използват за синтеза на протеини: аланин, аргинин, аспарагин, аспарагинова киселина, валин, хистидин, глицин, глутамин, глутаминова киселина киселина, изолевцин, левцин, лизин, метионин, пролин, серин, тирозин, треонин, триптофан, фенилаланин и цистеин (в протеините цистеинът може да присъства като димер - цистин). Вярно е, че някои протеини съдържат други аминокиселини в допълнение към редовно срещащите се двадесет, но те се образуват в резултат на модификация на една от изброените двадесет, след като е била включена в протеина.

Оптична дейност.

Всички аминокиселини, с изключение на глицина, имат четири различни групи, свързани с α-въглеродния атом. От гледна точка на геометрията, четири различни групи могат да бъдат прикрепени по два начина и съответно има две възможни конфигурации, или два изомера, свързани един с друг, както един обект е с огледалния си образ, т.е. като лявата ръка надясно. Едната конфигурация се нарича лява или лява (L), а другата се нарича дясна или дясновъртяща (D), тъй като двата изомера се различават в посоката на въртене на равнината на поляризираната светлина. Само L-аминокиселини се намират в протеините (изключение е глицинът; той може да се намери само в една форма, защото две от четирите му групи са еднакви) и всички са оптически активни (тъй като има само един изомер). D-аминокиселините са рядкост в природата; те се намират в някои антибиотици и клетъчната стена на бактериите.

Аминокиселинна последователност.

Аминокиселините в полипептидната верига не са подредени произволно, а в определен фиксиран ред и именно този ред определя функциите и свойствата на протеина. Като променяте реда на 20-те вида аминокиселини, можете да създадете огромен брой различни протеини, точно както можете да създадете много различни текстове от буквите на азбуката.

В миналото определянето на аминокиселинната последователност на протеин често отнемаше няколко години. Директното определяне все още е доста трудоемка задача, въпреки че са създадени устройства, които позволяват то да се извършва автоматично. Обикновено е по-лесно да се определи нуклеотидната последователност на съответния ген и от нея да се изведе аминокиселинната последователност на протеина. Към днешна дата аминокиселинните последователности на много стотици протеини вече са определени. Функциите на дешифрираните протеини обикновено са известни и това помага да си представим възможните функции на подобни протеини, образувани например при злокачествени новообразувания.

Сложни протеини.

Протеините, състоящи се само от аминокиселини, се наричат ​​прости. Често обаче към полипептидната верига е прикрепен метален атом или някакво химично съединение, което не е аминокиселина. Такива протеини се наричат ​​сложни. Пример е хемоглобинът: той съдържа железен порфирин, който определя червения му цвят и му позволява да действа като преносител на кислород.

Имената на повечето сложни протеини показват естеството на свързаните групи: гликопротеините съдържат захари, липопротеините съдържат мазнини. Ако каталитичната активност на ензима зависи от прикрепената група, тогава тя се нарича простетична група. Често витамин играе ролята на протетична група или е част от такава. Витамин А, например, прикрепен към един от протеините в ретината, определя нейната чувствителност към светлина.

Третична структура.

Важна е не толкова аминокиселинната последователност на самия протеин (първичната структура), а начинът, по който той е разположен в пространството. По цялата дължина на полипептидната верига водородните йони образуват правилни водородни връзки, които й придават формата на спирала или слой (вторична структура). От комбинацията на такива спирали и слоеве възниква компактна форма от следващия ред - третичната структура на протеина. Около връзките, държащи мономерните звена на веригата, са възможни завъртания под малки ъгли. Следователно, от чисто геометрична гледна точка, броят на възможните конфигурации за всяка полипептидна верига е безкрайно голям. В действителност всеки протеин обикновено съществува само в една конфигурация, определена от неговата аминокиселинна последователност. Тази структура не е твърда, тя изглежда „диша“ - тя се колебае около определена средна конфигурация. Веригата е сгъната в конфигурация, в която свободната енергия (способността да се произвежда работа) е минимална, точно както освободената пружина се компресира само до състояние, съответстващо на минималната свободна енергия. Често една част от веригата е тясно свързана с другата чрез дисулфидни (–S–S–) връзки между два цистеинови остатъка. Отчасти това е причината цистеинът да играе особено важна роля сред аминокиселините.

Сложността на структурата на протеините е толкова голяма, че все още не е възможно да се изчисли третичната структура на протеина, дори ако неговата аминокиселинна последователност е известна. Но ако е възможно да се получат протеинови кристали, тогава неговата третична структура може да се определи чрез рентгенова дифракция.

В структурните, контрактилните и някои други протеини веригите са удължени и няколко леко нагънати вериги, разположени в близост, образуват фибрили; фибрилите от своя страна се сгъват в по-големи образувания - влакна. Въпреки това, повечето протеини в разтвора имат кълбовидна форма: веригите са навити в глобула, като преждата в кълбо. Свободната енергия с тази конфигурация е минимална, тъй като хидрофобните („водоотблъскващи“) аминокиселини са скрити вътре в глобулата, а хидрофилните („привличащи водата“) аминокиселини са на нейната повърхност.

Много протеини са комплекси от няколко полипептидни вериги. Тази структура се нарича кватернерна структура на протеина. Молекулата на хемоглобина, например, се състои от четири субединици, всяка от които е глобуларен протеин.

Структурните протеини, поради тяхната линейна конфигурация, образуват влакна, които имат много висока якост на опън, докато глобуларната конфигурация позволява на протеините да влизат в специфични взаимодействия с други съединения. На повърхността на глобулата, когато веригите са правилно разположени, се появяват кухини с определена форма, в които са разположени реактивни химични групи. Ако протеинът е ензим, тогава друга, обикновено по-малка, молекула от някакво вещество влиза в такава кухина, точно както ключът влиза в ключалка; в този случай конфигурацията на електронния облак на молекулата се променя под въздействието на химическите групи, разположени в кухината, и това я принуждава да реагира по определен начин. По този начин ензимът катализира реакцията. Молекулите на антителата също имат кухини, в които се свързват различни чужди вещества и по този начин се обезвреждат. Моделът „заключване и ключ“, който обяснява взаимодействието на протеини с други съединения, ни позволява да разберем спецификата на ензимите и антителата, т.е. способността им да реагират само с определени съединения.

Протеини в различни видове организми.

Протеините, които изпълняват една и съща функция в различни видове растения и животни и следователно носят едно и също име, също имат подобна конфигурация. Те обаче се различават донякъде в своята аминокиселинна последователност. Тъй като видовете се отделят от общ прародител, някои аминокиселини на определени позиции се заменят с мутации от други. Вредните мутации, които причиняват наследствени заболявания, се елиминират чрез естествен подбор, но полезните или поне неутралните могат да продължат да съществуват. Колкото по-близо са два вида един до друг, толкова по-малко разлики се откриват в техните протеини.

Някои протеини се променят относително бързо, други са много запазени. Последното включва, например, цитохром с, респираторен ензим, открит в повечето живи организми. При хората и шимпанзетата неговите аминокиселинни последователности са идентични, но при цитохром c на пшеницата само 38% от аминокиселините са различни. Дори когато се сравняват хора и бактерии, все още може да се забележи сходството на цитохром с (разликите засягат 65% от аминокиселините), въпреки че общият прародител на бактериите и хората е живял на Земята преди около два милиарда години. В днешно време сравнението на аминокиселинни последователности често се използва за изграждане на филогенетично (родословно) дърво, отразяващо еволюционните връзки между различни организми.

Денатурация.

Синтезираната протеинова молекула, сгъвайки се, придобива характерната си конфигурация. Тази конфигурация обаче може да бъде разрушена чрез нагряване, чрез промяна на pH, чрез излагане на органични разтворители и дори чрез просто разклащане на разтвора, докато на повърхността му се появят мехурчета. Белтък, модифициран по този начин, се нарича денатуриран; той губи своята биологична активност и обикновено става неразтворим. Добре известни примери за денатуриран протеин са варени яйца или бита сметана. Малки протеини, съдържащи само около сто аминокиселини, са способни на ренатурация, т.е. възстановете оригиналната конфигурация. Но повечето протеини просто се превръщат в маса от заплетени полипептидни вериги и не възстановяват предишната си конфигурация.

Една от основните трудности при изолирането на активни протеини е тяхната изключителна чувствителност към денатурация. Това свойство на протеините намира полезно приложение при консервирането на храни: високата температура необратимо денатурира ензимите на микроорганизмите и микроорганизмите умират.

СИНТЕЗ НА ПРОТЕИН

За да синтезира протеин, живият организъм трябва да има система от ензими, способни да свързват една аминокиселина с друга. Също така е необходим източник на информация, за да се определи кои аминокиселини трябва да се комбинират. Тъй като в тялото има хиляди видове протеини и всеки от тях се състои средно от няколкостотин аминокиселини, необходимата информация трябва да е наистина огромна. Той се съхранява (подобно на това как записът се съхранява на магнитна лента) в молекулите на нуклеиновата киселина, които изграждат гените.

Ензимна активация.

Полипептидната верига, синтезирана от аминокиселини, не винаги е протеин в крайната си форма. Много ензими се синтезират първо като неактивни прекурсори и стават активни едва след като друг ензим отстрани няколко аминокиселини в единия край на веригата. Някои от храносмилателните ензими, като трипсин, се синтезират в тази неактивна форма; тези ензими се активират в храносмилателния тракт в резултат на отстраняването на крайния фрагмент на веригата. Хормонът инсулин, чиято молекула в активната си форма се състои от две къси вериги, се синтезира под формата на една верига, т.нар. проинсулин. След това средната част на тази верига се отстранява, а останалите фрагменти се свързват заедно, за да образуват активната хормонална молекула. Сложните протеини се образуват само след като специфична химична група е прикрепена към протеина и това прикрепване често също изисква ензим.

Метаболитна циркулация.

След хранене на животно с аминокиселини, маркирани с радиоактивни изотопи на въглерод, азот или водород, етикетът бързо се включва в неговите протеини. Ако белязаните аминокиселини спрат да навлизат в тялото, количеството на етикетите в протеините започва да намалява. Тези експерименти показват, че получените протеини не се задържат в тялото до края на живота. Всички те, с малки изключения, са в динамично състояние, непрекъснато се разграждат на аминокиселини и след това отново се синтезират.

Някои протеини се разпадат, когато клетките умират и се унищожават. Това се случва през цялото време, например с червените кръвни клетки и епителните клетки, покриващи вътрешната повърхност на червата. В допълнение, разграждането и ресинтезата на протеини също се случва в живите клетки. Колкото и да е странно, по-малко се знае за разграждането на протеините, отколкото за техния синтез. Ясно е обаче, че разграждането включва протеолитични ензими, подобни на тези, които разграждат протеините до аминокиселини в храносмилателния тракт.

Времето на полуразпад на различните протеини варира - от няколко часа до много месеци. Единственото изключение са молекулите на колагена. Веднъж образувани, те остават стабилни и не се подновяват или заменят. С течение на времето обаче някои от свойствата им се променят, по-специално еластичността, и тъй като не се обновяват, това води до някои промени, свързани с възрастта, като появата на бръчки по кожата.

Синтетични протеини.

Химиците отдавна са се научили да полимеризират аминокиселини, но аминокиселините се комбинират по хаотичен начин, така че продуктите от такава полимеризация малко приличат на естествените. Вярно е, че е възможно да се комбинират аминокиселини в определен ред, което прави възможно получаването на някои биологично активни протеини, по-специално инсулин. Процесът е доста сложен и по този начин е възможно да се получат само тези протеини, чиито молекули съдържат около сто аминокиселини. За предпочитане е вместо това да се синтезира или изолира нуклеотидната последователност на ген, съответстваща на желаната аминокиселинна последователност, и след това да се въведе този ген в бактерия, която ще произведе големи количества от желания продукт чрез репликация. Този метод обаче има и своите недостатъци.

ПРОТЕИНИ И ХРАНЕНИЕ

Когато протеините в тялото се разграждат на аминокиселини, тези аминокиселини могат да се използват отново за синтезиране на протеини. В същото време самите аминокиселини са обект на разграждане, така че не се използват напълно. Също така е ясно, че по време на растеж, бременност и зарастване на рани, протеиновият синтез трябва да надвишава разграждането. Тялото непрекъснато губи някои протеини; Това са протеините на косата, ноктите и повърхностния слой на кожата. Следователно, за да синтезира протеини, всеки организъм трябва да получава аминокиселини от храната.

Източници на аминокиселини.

Зелените растения синтезират всички 20 аминокиселини, намиращи се в протеините от CO2, вода и амоняк или нитрати. Много бактерии също са способни да синтезират аминокиселини в присъствието на захар (или някакъв еквивалент) и фиксиран азот, но захарта в крайна сметка се доставя от зелени растения. Животните имат ограничена способност да синтезират аминокиселини; те получават аминокиселини, като ядат зелени растения или други животни. В храносмилателния тракт абсорбираните протеини се разграждат до аминокиселини, последните се абсорбират и от тях се изграждат протеини, характерни за даден организъм. Нито един от абсорбирания протеин не се включва в телесните структури като такъв. Единственото изключение е, че при много бозайници някои майчини антитела могат да преминат непокътнати през плацентата в кръвния поток на плода и чрез майчиното мляко (особено при преживните) могат да бъдат прехвърлени на новороденото веднага след раждането.

Изискване за протеини.

Ясно е, че за поддържане на живота тялото трябва да получава определено количество протеин от храната. Степента на тази нужда обаче зависи от редица фактори. Тялото се нуждае от храна както като източник на енергия (калории), така и като материал за изграждане на своите структури. Нуждата от енергия е на първо място. Това означава, че когато в диетата има малко въглехидрати и мазнини, диетичните протеини се използват не за синтеза на собствени протеини, а като източник на калории. По време на продължително гладуване дори вашите собствени протеини се използват за задоволяване на енергийните нужди. Ако в диетата има достатъчно въглехидрати, тогава консумацията на протеини може да бъде намалена.

Азотния баланс.

Средно ок. 16% от общата маса на протеина е азот. Когато аминокиселините, съдържащи се в протеините, се разграждат, съдържащият се в тях азот се отделя от тялото в урината и (в по-малка степен) в изпражненията под формата на различни азотни съединения. Поради това е удобно да се използва индикатор като азотен баланс за оценка на качеството на протеиновото хранене, т.е. разликата (в грамове) между количеството азот, постъпил в тялото, и количеството азот, отделен на ден. При нормално хранене при възрастен тези количества са равни. В растящия организъм количеството отделен азот е по-малко от полученото, т.е. балансът е положителен. При недостиг на белтъчини в диетата балансът е отрицателен. Ако в диетата има достатъчно калории, но в нея няма протеини, тялото спестява протеини. В същото време протеиновият метаболизъм се забавя и повторното използване на аминокиселини в протеиновия синтез се извършва с възможно най-висока ефективност. Загубите обаче са неизбежни и азотните съединения все още се екскретират в урината и отчасти в изпражненията. Количеството азот, отделено от тялото на ден по време на протеиновото гладуване, може да служи като мярка за дневния протеинов дефицит. Естествено е да се предположи, че чрез въвеждане в диетата на количество протеин, еквивалентно на този дефицит, азотният баланс може да бъде възстановен. Обаче не е така. След като получи това количество протеин, тялото започва да използва аминокиселините по-малко ефективно, така че е необходим допълнителен протеин за възстановяване на азотния баланс.

Ако количеството протеин в диетата надвишава необходимото за поддържане на азотния баланс, тогава изглежда няма вреда. Излишните аминокиселини просто се използват като източник на енергия. Като особено поразителен пример, ескимосите консумират малко въглехидрати и около десет пъти повече протеини, необходими за поддържане на азотния баланс. В повечето случаи обаче използването на протеин като източник на енергия не е от полза, тъй като дадено количество въглехидрат може да произведе много повече калории, отколкото същото количество протеин. В бедните страни хората получават калориите си от въглехидрати и консумират минимални количества протеини.

Ако тялото получава необходимия брой калории под формата на непротеинови продукти, тогава минималното количество протеин, за да се осигури поддържането на азотния баланс, е приблизително. 30 г на ден. Приблизително толкова протеин се съдържа в четири филийки хляб или 0,5 литра мляко. Малко по-голям брой обикновено се счита за оптимален; Препоръчва се от 50 до 70 g.

Есенциални аминокиселини.

Досега протеинът се разглеждаше като цяло. Междувременно, за да се осъществи протеиновият синтез, всички необходими аминокиселини трябва да присъстват в тялото. Самото тяло на животното е в състояние да синтезира някои от аминокиселините. Те се наричат ​​заменими, защото не е задължително да присъстват в храната - важно е само общият запас от протеини като източник на азот да е достатъчен; след това, ако има недостиг на незаменими аминокиселини, тялото може да ги синтезира за сметка на тези, които са в излишък. Останалите „незаменими” аминокиселини не могат да бъдат синтезирани и трябва да бъдат доставени на тялото чрез храната. Основни за хората са валин, левцин, изолевцин, треонин, метионин, фенилаланин, триптофан, хистидин, лизин и аргинин. (Въпреки че аргининът може да се синтезира в тялото, той се класифицира като незаменима аминокиселина, тъй като не се произвежда в достатъчни количества при новородени и растящи деца. От друга страна, някои от тези аминокиселини от храната може да станат ненужни за възрастен човек.)

Този списък от незаменими аминокиселини е приблизително същият при други гръбначни и дори насекоми. Хранителната стойност на протеините обикновено се определя чрез хранене на подрастващи плъхове и следене на наддаването на тегло на животните.

Хранителна стойност на протеините.

Хранителната стойност на протеина се определя от незаменимата аминокиселина, която е най-дефицитна. Нека илюстрираме това с пример. Протеините в тялото ни съдържат средно ок. 2% триптофан (тегловни). Да кажем, че диетата включва 10 g протеин, съдържащ 1% триптофан, и че в него има достатъчно други незаменими аминокиселини. В нашия случай 10 g от този непълен протеин е по същество еквивалентен на 5 g пълен протеин; останалите 5 g могат да служат само като източник на енергия. Имайте предвид, че тъй като аминокиселините практически не се съхраняват в тялото и за да се осъществи протеиновият синтез, всички аминокиселини трябва да присъстват едновременно, ефектът от приема на незаменими аминокиселини може да бъде открит само ако всички те влизат в тялото едновременно.

Средният състав на повечето животински протеини е близък до средния състав на протеините в човешкото тяло, така че е малко вероятно да се сблъскаме с дефицит на аминокиселини, ако диетата ни е богата на храни като месо, яйца, мляко и сирене. Въпреки това има протеини, като желатин (продукт от денатурацията на колаген), които съдържат много малко незаменими аминокиселини. Растителните протеини, въпреки че са по-добри от желатина в този смисъл, също са бедни на незаменими аминокиселини; Те са особено бедни на лизин и триптофан. Независимо от това, чисто вегетарианската диета изобщо не може да се счита за вредна, освен ако не се консумират малко по-големи количества растителни протеини, достатъчни да осигурят на тялото незаменими аминокиселини. Растенията съдържат най-много протеини в семената си, особено в семената на пшеницата и различните бобови растения. Младите филизи, като аспержи, също са богати на протеини.

Синтетични протеини в диетата.

Чрез добавяне на малки количества синтетични незаменими аминокиселини или богати на аминокиселини протеини към непълни протеини, като царевични протеини, хранителната стойност на последните може значително да се увеличи, т.е. като по този начин увеличава количеството консумиран протеин. Друга възможност е да се отглеждат бактерии или дрожди върху петролни въглеводороди с добавяне на нитрати или амоняк като източник на азот. Микробният протеин, получен по този начин, може да служи като храна за домашни птици или добитък или може да бъде директно консумиран от хората. Третият, широко използван метод използва физиологията на преживните животни. При преживните животни в началната част на стомаха, т.нар. Търбухът е обитаван от специални форми на бактерии и протозои, които превръщат непълните растителни протеини в по-пълни микробни протеини, а те от своя страна след смилане и усвояване се превръщат в животински протеини. Уреята, евтино синтетично азотсъдържащо съединение, може да се добави към храната за добитък. Микроорганизмите, живеещи в търбуха, използват карбамиден азот, за да превърнат въглехидратите (от които има много повече във фуража) в протеини. Около една трета от целия азот в храната за животни може да дойде под формата на урея, което по същество означава, до известна степен, химическия синтез на протеини.

Аминокиселините (AA) са органични молекули, които се състоят от основна аминогрупа (-NH 2), киселинна карбоксилна група (-COOH) и органичен R радикал (или странична верига), който е уникален за всяка AA

Аминокиселинна структура

Функции на аминокиселините в организма

Примери за биологични свойства на АК. Въпреки че повече от 200 различни АА се срещат в природата, само около една десета от тях са включени в протеините, други изпълняват други биологични функции:

• Те са градивните елементи на протеините и пептидите
• Прекурсори на много биологично важни молекули, получени от АК. Например, тирозинът е предшественик на хормона тироксин и кожния пигмент меланин, а тирозинът също е предшественик на съединението DOPA (диоксифенилаланин). Той е невротрансмитер за предаване на импулси в нервната система. Триптофанът е предшественик на витамин B3 - никотинова киселина
• Източници на сяра са сяросъдържащите АА.
• АА участват в много метаболитни пътища, като глюконеогенезата – синтеза на глюкоза в организма, синтеза на мастни киселини и т.н.

В зависимост от позицията на аминогрупата спрямо карбоксилната група АА може да бъде алфа, α-, бета, β- и гама, γ.

Протеините съдържат само алфа-АА

Общи свойства на алфа-АА протеините

1 - Оптична активност - свойство на аминокиселините

Всички АА, с изключение на глицина, проявяват оптична активност, т.к съдържа поне един асиметричен въглероден атом (хирален атом).

Какво е асиметричен въглероден атом? Това е въглероден атом с четири различни химически заместителя, свързани с него. Защо глицинът не проявява оптична активност? Неговият радикал има само три различни заместителя, т.е. алфа въглеродът не е асиметричен.

Какво означава оптична активност? Това означава, че AA в разтвор може да присъства в два изомера. Дясновъртящ се изомер (+), който има способността да завърта равнината на поляризираната светлина надясно. Леворотаторен изомер (-), който има способността да завърта равнината на поляризация на светлината наляво. И двата изомера могат да завъртят равнината на поляризация на светлината с еднаква степен, но в обратна посока.

2 - Киселинно-базови свойства

В резултат на способността им да йонизират, може да се напише следното равновесие на тази реакция:

R-COOH<------->R-C00-+H+

R-NH2<--------->R-NH3+

Тъй като тези реакции са обратими, това означава, че те могат да действат като киселини (права реакция) или като основи (обратна реакция), което обяснява амфотерните свойства на аминокиселините.

Цвитер йон - свойство на АК

Всички неутрални аминокиселини при физиологична стойност на рН (около 7,4) присъстват като цвитериони - карбоксилната група е непротонирана, а аминогрупата е протонирана (фиг. 2). В разтвори, по-основни от изоелектричната точка на аминокиселината (IEP), аминогрупата -NH3 + в AA отдава протон. В разтвор, по-кисел от IET на AA, карбоксилната група -COO - в AA приема протон. Така AA понякога се държи като киселина, а друг път като основа, в зависимост от рН на разтвора.

Полярността като общо свойство на аминокиселините

При физиологично рН АА присъстват като цвитер йони.Положителният заряд се носи от алфа аминогрупата, а отрицателният заряд се носи от карбоксилната група. Така в двата края на молекулата АК се създават два противоположни заряда, молекулата има полярни свойства.

Наличието на изоелектрична точка (IEP) е свойство на аминокиселините

Стойността на pH, при която нетният електрически заряд на аминокиселина е нула и следователно тя не може да се движи в електрическо поле, се нарича IET.

Способността да абсорбират ултравиолетова светлина е свойство на ароматните аминокиселини

Фенилаланин, хистидин, тирозин и триптофан абсорбират при 280 nm. На фиг. Показани са стойностите на моларния коефициент на екстинкция (ε) на тези AA. Във видимата част на спектъра аминокиселините не абсорбират, следователно са безцветни.

АА могат да присъстват в два изомера: L-изомер и D- изомери, които са огледални изображения и се различават по разположението на химичните групи около α-въглеродния атом.

Всички аминокиселини в протеините са в L-конфигурация, L-аминокиселини.

Физични свойства на аминокиселините

Аминокиселините са предимно водоразтворими поради тяхната полярност и наличието на заредени групи. Те са разтворими в полярни и неразтворими в неполярни разтворители.

АК имат висока точка на топене, което отразява наличието на силни връзки, които поддържат тяхната кристална решетка.

са често срещаниСвойствата на АА са общи за всички АА и в много случаи се определят от алфа аминогрупата и алфа карбоксилната група. AA също имат специфични свойства, които са продиктувани от тяхната уникална странична верига.

Оптична активност на аминокиселините

Всички аминокиселини с изключение на глицин съдържат хирален въглероден атом и могат да се появят като енантиомери:

Енантиомерните форми или оптичните анитиподи имат различни индекси на пречупване и различни моларни коефициенти на екстинкция (кръгов дихроизъм) за левия и десния кръгово поляризирани компоненти на линейно поляризирана светлина. Те въртят равнината на трептене на линейно поляризирана светлина под равни ъгли, но в противоположни посоки. Въртенето се извършва по такъв начин, че и двете светлинни компоненти преминават през оптично активната среда с различни скорости и в същото време се изместват във фазата.

От ъгъла на въртене b, определен на поляриметъра, може да се определи специфичното въртене.

Където c е концентрацията на разтвора, l е дебелината на слоя, т.е. дължината на поляриметърната тръба.

Използва се и молекулярна ротация, т.е. [b] се отнася за 1 мол.

Трябва да се отбележи, че зависимостта на оптичното въртене от концентрацията е значима само до първо приближение. В областта c=1h2 съответните стойности са почти независими от промените в концентрацията.

Ако линейно поляризирана светлина с непрекъснато променяща се дължина на вълната се използва за измерване на молекулярното въртене на оптично активно съединение, се получава характерен спектър. В случай, че стойностите на молекулярното въртене се увеличават с намаляване на дължината на вълната, те говорят за положителен ефект на Котън, в обратния случай - за отрицателен. Особено значими ефекти се наблюдават при дължината на вълната, съответстваща на максимумите на абсорбционните ленти на съответните енантиомери: знакът на въртене се променя. Това явление, известно като дисперсия на оптичното въртене (ORD), заедно с кръговия дихроизъм (CD), се използва в структурни изследвания на оптично активни съединения.

Фигура 1 показва ORR кривите на L- и D-аланин, а Фигура 2 показва CD спектрите на D- и L-метионин. Позицията и големината на въртене на карбонилните ленти в областта от 200–210 nm са силно зависими от рН. За всички аминокиселини се приема, че L-конфигурацията проявява положителен ефект на памук, а D-конфигурацията - отрицателен ефект на памук.

Фиг. 1.

Фиг.2.

Аминокиселинна конфигурация и конформация

Конфигурацията на протеиногенните аминокиселини е свързана с D-глюкоза; този подход е предложен от Е. Фишър през 1891г. В пространствените формули на Фишер заместителите при хиралния въглероден атом заемат позиция, която съответства на тяхната абсолютна конфигурация. Фигурата показва формулите на D- и L-аланин.

Схемата на Фишер за определяне на конфигурацията на аминокиселина е приложима за всички b-аминокиселини, които имат хирален b-въглероден атом.

От фигурата става ясно, че Л-аминокиселината може да бъде дясновъртяща (+) или лявовъртяща (-) в зависимост от природата на радикала. По-голямата част от b-аминокиселините, открити в природата, са Л-ред. Техен енантиоморфи, т.е. д-аминокиселините се синтезират само от микроорганизми и се наричат ​​" неестествени" аминокиселини.

Според (R,S) номенклатурата повечето "естествени" или L-аминокиселини имат S конфигурация.

В двумерното изображение за D- и L-изомерите е приет определен ред на подреждане на заместителите. D-аминокиселината има карбоксилна група в горната част, последвана по часовниковата стрелка от аминогрупа, странична верига и водороден атом. L-аминокиселината има обратен ред на заместителите, като страничната верига винаги е на дъното.

Аминокиселините треонин, изолевцин и хидроксипролин имат два центъра на хиралност.

Понастоящем определянето на абсолютната конфигурация на аминокиселините се извършва както с помощта на рентгенов дифракционен анализ и ензимни методи, така и чрез изследване на спектрите на CD и ODS.

За някои аминокиселини има връзка между тяхната конфигурация и вкус, например L-Trp, L-Phe, L-Tyr, L-Leu имат горчив вкус, а техните D-енантиомери имат сладък вкус. Сладкият вкус на глицина е известен отдавна. Мононатриевата сол на глутаминовата киселина - мононатриевият глутамат - е един от най-важните носители на вкусови качества, използвани в хранително-вкусовата промишленост. Интересно е да се отбележи, че дипептидното производно на аспарагиновата киселина и фенилаланина проявява интензивен сладък вкус. През последните години стереохимията на аминокиселините се развива главно в посока на изследване на проблемите на конформацията. Проучвания, използващи различни физични методи, особено спектроскопия с ядрено-магнитен резонанс (NMR) с висока разделителна способност, показват, че заместителите на b и c атомите на аминокиселините предпочитат да бъдат в определени конфигурации. ЯМР спектроскопията може да се използва за извършване на конформационен анализ както в твърдо състояние, така и в разтвор. Конформационният анализ предоставя важна информация за конформационното поведение на протеините и пептидите.