2.3. Аминокислоты и белки

Белки представляют собой наиболее распространенные орга­нические соединения клетки; обычно они составляют от 30 до 70% массы сухих веществ клеток. Все белки построены из че­тырех самых распространенных биологических элементов — уг­лерода, водорода, азота и кислорода. В среднем белки содер­жат 50% С, 7% Н, 23% О и 16% N. Кроме того, в белках имеется до 3% серы, которая играет важную роль в стабилиза­ции трехмерной структуры почти всех белков за счет образо­вания дисульфидных (S—S) связей между атомами серы, рас­положенными в различных участках полимерной цепи. Моле­кулярные массы этих неповторяющихся полимеров изменяются в широких пределах от 6000 до миллиона и более. На рис. 2.2 изображены два основных типа пространственной структуры белков — фибриллярный и глобулярный.

Преобладание в клетке веществ белковой природы неуди­вительно, если принять во внимание разнообразие их биологи­ческих функций (табл. 2.3). Главнейшая функция белков за­ключается в катализе. Белковые катализаторы, называемые ферментами, определяют скорость происходящих в клетке хи­мических реакций. Ферменты локализуются в самых различных участках клетки, а некоторые из них находятся в растворенном или суспендированном виде в цитоплазме и таким образом рав­номерно распределяются по всему объему клетки. Другие фер­менты связаны с мембранами или существуют в виде ассоциа-тов с другими веществами, с которыми они образуют надмоле-

кулярные агрегаты. Некоторые связанные с мембранами белки, называемые пермеазами, помогают транспортировать специфи­ческие питательные вещества в клетку.

Другие белки являются структурными элементами клеточных мембран, а ряд белков выполняет двигательные функции. У мно­гих одноклеточных организмов имеются небольшие образования, по форме напоминающие волоски, которые называются жгути­ками. Эти жгутики движутся под действием способных сокращаться белков, обеспечивая тем самым перемещение всей

клетки. Другие нитевидные и трубчатые придатки, называемые фимбриями, участвуют в инициировании связывания патоген­ных бактерий с чувствительными к ним тканями.

Белки выделяют, очищают и характеризуют различными физическими и химическими методами. Методы разделения белков основаны на различиях в их молекулярных свойствах, которые в свою очередь частично определяются природой со­ставляющих их аминокислот; последним мы и посвятим следующий раздел.

2.3.1.Белковые аминокислоты и полипептиды

Мономерными звеньями полипептидов являются а-аминокис-лоты общей формулы

Таким образом, аминокислоты различаются природой группы R, связанной с а-углеродным атомом (соседним с карбоксильной группой). Поскольку в общем случае все заместители у этого атома углерода различны (за исключением глицина, у которога R = H), этот углеродный атом асимметричен.

Многие биологически важные органические соединения, в том числе сахара и аминокислоты, оптически активны, т. е. обладают по меньшей мере одним асимметрическим атомом углерода и поэтому могут существовать в двух формах, как это показано ниже на примере аминокислот:

Раствор одного изомера вращает плоскость поляризации света вправо (правая или d-форма) или влево (левая или /-форма). Оптическая изомерия представляет собой чрезвычайно важное явление, поскольку при отсутствии ферментов, превра­щающих один изомер в другой, живые организмы могут усваи­вать только один из изомеров. Ферменты, как правило, также катализируют превращения только одного из оптических изо­меров. Это свойство ферментов используется в промышленности для разделения смесей рацемических ациламинокислот, когда гидролизу подвергается только один из изомеров, так что в про­дуктах реакции содержатся два существенно различающихся и, следовательно, легче разделяемых вещества. Подробнее этот процесс мы рассмотрим . Поскольку метод прямого фи­зического разделения оптических изомеров дорог и неэффек­тивен, подобные микробиологические и ферментативные (а так­же химические) способы разделения могут оказаться гораздо более выгодными.

Интересно, что в подавляющем большинстве белков найдены только ь-изомеры аминокислот, d-Аминокислоты в природных

Рис.2.3. 20 белковых аминокислот

источниках встречаются редко; они были обнаружены в клеточ­ных стенках некоторых микроорганизмов и в ряде антибиотиков.

Кислотная (—СООН) и основная (—NH₂) группировки ами­нокислот в водных растворах могут подвергаться ионизации.

Аминокислота несет положительный заряд (катион) при низ­ких значениях рН и отрицательный заряд (анион) при высо­ких рН. При некотором промежуточном значении рН амино­кислота представляет собой биполярный ион (цвиттер-ион) с нулевым результирующим зарядом. Эта величина рН назы­вается изоэлектринеской точкой и определяется природой за­местителя R (табл. 2.4). В изоэлектрической точке аминокис­лота под влиянием электрического поля не способна мигриро­вать ни к аноду, ни к катоду, и, кроме того, ее растворимость минимальна. На этих свойствах аминокислот основаны такие методы разделения смесей, как ионный обмен, электродиализ и электрофорез .

На рис. 2.15 приведены формулы 20 аминокислот, обычно встречающихся в белках. Помимо характерных для всех аминокислот карбоксильной и аминной (кроме пролина) групп не­которые из них содержат ионизирующиеся группы и в заме­стителе R. Для одних аминокислот типичны неполярные гидро­фобные группы R, в других заместители R обладают гидро­фильными свойствами. Как мы увидим в следующем разделе, природа этих боковых цепей важна с точки зрения как функции белка, так и его структуры.

Простые белки представляют собой полимеры, образующие­ся путем конденсации одних только аминокислот. Реакция кон­денсации, лежащая в основе синтеза белков, осуществляется между аминогруппой одной аминокислоты и карбоксильной группой другой и приводит к образованию пептидной связи;

Пептидная связь частично имеет характер двойной связи, по­этому шесть атомов (на схеме они лежат внутри прямоугольни­ка, ограниченного штриховыми линиями) расположены в одной плоскости. Запомните, что каждая аминокислота соединяется с последующей пептидной связью, поэтому вся белковая цепь может строиться с помощью одного фермента; в то же время порядок расположения аминокислот определяется другими механизмами

Название образовавшегося в результате возникновения пеп­тидной связи фрагмента (аминокислотного остатка) производят от названия соответствующей аминокислоты путем добавления окончания ил; например, остатками глицина и аланина явля­ются глицил и аланил соответственно. Перечисление остатков в олигопептиде начинают с конца, несущего свободную амино­группу.

Полипептиды, представляют собой сравнительно короткие цепи, построенные из аминокислотных остатков (рис. 2.16). По­нятно, что по мере увеличения длины цепи физико-химические свойства полимера все в большей степени будут определяться природой групп R аминокислотных остатков, а роль концевых аминной и карбоксильной групп будет все менее и менее важ­ной. Полипептидами принято называть относительно небольшие полиаминокислотные цепи. Многие полипептиды имеют большое биологическое значение; в частности, к числу полипептидов относится ряд гормонов, например инсулин, гормон роста и со-матостатин.

Большие полиаминокислотные цепи называют белками; гра­ница между полипептидами и белками строго не определена; обычно считают, что она лежит в пределах 50—100 аминокис­лотных остатков. Поскольку средняя молекулярная масса аминокислотного остатка составляет около 120, то молекулярная масса белков должна превышать 10000; известны отдельные белки с молекулярной массой более миллиона.

Аминокислотный состав какого-либо белка или смеси белков может быть определен с помощью автоматического аминокис­лотного анализатора. Полный гидролиз белка осуществляют нагреванием в 6 н. НС1 в течение 10—24 ч при 100—120°С. При этом с количественным выходом в виде гидрохлоридов обра­зуются все аминокислоты (за исключением триптофана, аспара-гина и глутамина); их разделяют и определяют количественно. Для определения содержания триптофана можно применить ще­лочной гидролиз. Результаты такого изучения белков из ки­шечной палочки Е. coli приведены в табл. 2.6. Эти и ряд других данных показывают, что не все 20 аминокислот (перечислен­ных на рис. 2.3) входят в состав любого белка. Ни в одном известном белке аминокислоты не содержатся в эквимолярных количествах. Для любого конкретного белка, однако, относительные количества различных аминокислот представляют со­бой строго определенные величины.

Аминокислоты не являются единственными компонентами белков. В состав многих сложных белков входят другие орга­нические или даже неорганические группировки, называемые простетическими группами. Если белок построен только из ос­татков аминокислот, его иногда, как уже упоминалось выше, называют простым белком. Широко известный пример сложных

белков представляет гемоглобин — переносчик кислорода в крас­ных кровяных тельцах,— в состав молекулы которого входят четыре группировки гема, представляющие собой железосодер­жащие металлоорганические комплексы. В близком по струк­туре, но меньшем по молекулярной массе миоглобине имеется один гем. Каждая молекула фермента оксидазы ь-аминокислот, катализирующей дезаминирование ряда u-аминокислот, содер­жит два остатка флавинадениндинуклеотида (FAD) .Как указывалось выше, простетической группой рибосом можно считать РНК.