Голландском химику Герхарду Иоганну Мульдером (1883) приписывают введение в научную терминологию слова белок. Как в растениях, так и животных, по мнению ученого, имеется вещество, выполняет важную функцию. Она является одним из известных компонентов живой материи, и, видимо, без нее жизнь была бы невозможна. Это вещество Мульдер назвал белком или белками (от греч. Proteus - первый).
Более двухсотлетняя история химии белка полна непрестанным совершенствованием экспериментальных средств и богатая различные теоретические концепции. Весомый вклад в развитие химии белка сделали как отечественные ученые - А. Я. Данилевский, Н. Д. Зелинский, B. С. Садыков и др.., Так и зарубежные исследователи: Э. Фишер, Т. Курциус, М. Бергман, Ф. сенжери.
Химия белка всегда сочетала идеи и методы биологии, медицины, химии, физики. Белки составляют материальную основу химической деятельности клетки. Они делятся на простые (протеины) и сложные (протеиды). При гидролизе протеинов как продукты расщепления образуются только а-аминокислоты. Протеиды при гидролизе распадаются на белковую часть, состоящая из а-аминокислот, и небелковую, есть другие органические и неорганические соединения. Небелковой части называют простетической группой.
Протеиды обычно классифицируют по характеру простетич-ных групп:
- Гликопротеиды - содержат углеводы как небелковую часть;
- Липопротеиды - содержат липиды;
- Нуклеопротеиды - содержат нуклеиновые кислоты;
- Фосфопротеиды - содержат остаток фосфорной кислоты;
- Металлопротеидов - содержат зализопорфиринвмисни белки (миоглобин, гемоглобин), а также металлоферментов.
Рассмотрим особенности и свойства простых белков - протеинов.
Пептиды и белки - группа соединений, сходных по строению, которые отличаются только по размеру молекулы. Они полиамидами, образованные а-аминокислотами, имеют общий фрагмент Условно считают, что пептиды содержат в молекуле около 100 (молекулярная масса около 1000), а белки - более 100 аминокислотных остатков.
Различают олигопептиды (низкомолекулярные), содержащие в цепи не более 10 аминокислотных остатков, и полипептиды, содержащие от 10 до 100 аминокислотных остатков.
Белки являются основной составной частью мягкой структурной ткани животных и имеют большое значение в биологии.
Последние 100 лет ученые приложили немало усилий, пытаясь определить структуры различных белков, поскольку именно структура белка определяет его свойства.
Новые сведения о строении белковых молекул оказывают большую помощь при разработке средств лечения больных сердечно-сосудистые, наследственные заболевания, рак.
Впервые наличие пептидных групп в молекуле белка доказал профессор Харьковского университета А. Я. Данилевский (1883). Он изучал продукты гидролиза белка и обнаружил, что в результате неполного гидролиза белков образуются аминокислоты и остатки белковой молекулы, причем эти остатки дают биуретовую реакцию: при взаимодействии с щелочным раствором сульфата меди образуются соединения, окрашенные в фиолетовый цвет. При проведении полного гидролиза такая реакция не наблюдается. Поэтому А. Я. Данилевский предположил, что в основе строения белков заключается «биуретовая структура», то есть связь типа-HN-с-между остатками отдельных а-аминокислот с образованием полипеп-тидних цепей.
Связи между отдельными аминокислотами являются сильными. Их называют полипептидными, или «Биуретовая связями» А. Я. Данилевского. Полипептидных связей в макромолекуле много. Порядок чередования аминокислотных остатков в полипеп-тидних фрагментах определяет биологическую функцию и специфичность белка, называют первичной структурой белковой молекулы.
Например, сывороточный альбумин образует цепь, состоящий из более 500 аминокислотных остатков и выполняет двоякую функцию: поддерживает осмотическое (онкотическое) давление в крови и обеспечивает транспорт с кровью биологически активных веществ, например, лекарств. Фредерик сенжери (1953) - автор стратегического плана определения аминокислотной последовательности в белках («блочный» метод) - впервые обнаружил последовательность аминокислотных остатков в простейшем белка - инсулине, за что был удостоен Нобелевской премии 1958 В 1980 г. ему вторично была присуждена Нобелевская премию за работы, связанные с расшифровкой генетического кода. Инсулин состоит из двух пептидных цепей А и В, цепь А содержит 21, а цепь В - 30 аминокислотных остатков.
Оказалось, что в инсулине пептидная связь не является единственным химической связью в строении белка (рис. 6.3). Есть еще три дисульфид-ных связи, вызывающих искривление цепи А.
Действительно, молекула белка не лежит в плоскости, поэтому знание первичной структуры белка не достаточно для полного понимания его строения.
Американские ученые Л. Полинг и Р. Кори доказали, что в некоторых белках (миозин и актомиозин) несколько полипептидных цепей скрученные в спираль и образуют жгуты. При этом диаметр спирали всегда равна 0,54 нм, на отдельном развития размещается 3,6 аминокислотных остатков (рис. 6.4).
Это так называемая а-структура. Отдельные цепи в а-спирали могут быть соединены химическими (дисульфидными) и нехимическими связями. Водородные связи возникают между С = О и NH-группами полипептидных связей отдельных цепей. Конечно дисульфид-ных связей возникает мало, а водородных - много.
Как правило, водородные связи устанавливаются между первым и пятым аминокислотными остатками внутри одной цепи, приводит к скручиванию его в а-спираль. кем. Водородные связи устанавливаются и разрываются легко, без затраты большого количества энергии, и выполняют две важные биологические функции:
- Благодаря своей многочисленности обеспечивают устойчивость молекулы;
- Позволяют образовывать комплексы двух молекул. Условием комплексирования является принцип структурного соответствия (ком-плементарнисть).
В некоторых белках полипептидные цепи располагаются параллельно друг другу в виде лент, которые могут образовывать структуру сморщенной ленты (рис. 6.5). Это происходит вследствие возникновения водородных связей между пептидными группами разных аминокислотных цепей. Образуется структура ß-сморщенной ленты (ß-фиброин).
За счет спирализации, или заключения в пучки, макромолекула приобретает трехмерности, образуя вторичную структуру белка.
В формировании третичной структуры белка наряду с водородными участвуют другие связи - электростатические (ионные), гидрофобные, дисульфидные.
Было доказано, что в целом для совокупности всех остатков аминокислот наблюдается закономерная локализация гидрофобных групп (углеводородных радикалов) во внутренней области макромолекулы. Гидрофильные (полярные) группы размещаются на поверхности молекул (рис. 6.6).
Третичную структуру белка называют субъединицей. Несколько субъединиц образуют четвертичное структуру белка.
В Кембриджском университете Д. Кендрю обнаружил третичную структуру белка миоглобина кашалота, который обеспечивает работу мышц с анаэробных условий и состоит из 153 остатков аминокислот и одного железосодержащего гема (Мг = 17000), а М. Пе-рутц установил четвертичное структуру гемоглобина. Этот белок содержит по две пары полипептидных цепей двух типов: две а-спирали (а1 и а2) из 140 остатков и две ß-структуры (ßl и ß 2) из 146 остатков а - аминокислот в каждой. К каждому полипептидной цепи прикреплен железосодержащий гем.
Четвертичная структура обусловлена комбинацией четырех субъединиц третичных структур, содержащихся друг возле друга слабыми связями (в основном силами Ван-дер-Вааль-са). Таким образом, особенностями строения биополимеров, определяющие их свойства, является существование двух различных типов связей (химических и нехимических) и пластичность цепей, обусловленная поворотом звеньев.
Благодаря поворота макромолекула может набирать разнообразной конформации - энергетически неравноценной формы молекул, возникающих при простом повороте без разрыва химической связи.
При изменении конформации макромолекулы могут или скручиваться, образуя глобулы и статические клубки или выпрямляться и состоять в ориентированные структуры-пачки.
Биологическая активность белков тесно связана с высокой организацией структуры. Живые организмы синтезируют белки нужной конформации, которая часто является метастабильной, т.е. из всех возможных структур не стабильной. Под влиянием нагрева, изменение значений рН среды или воздействия химических реагентов белки часто теряют свою биологически активную конформацию, превращаясь в случайные неорганизованные структурные единицы. Такой процесс называется денатурацией.