Білки і нуклеїнові кислоти

Міністерство освіти Республіки Білорусь

УО МОГИЛЕВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ПРОДОВОЛЬСТВА

КАФЕДРА Хімічна технологія високомолекулярних сполук

БІОЛОГІЧНА ХІМІЯ

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

для студентів спеціальностей 49 01 01, 49 01 02, 91 1 січня

Білки і нуклеїнові кислоти

Могильов, 2004

УКД

ББК

Розглянуто та рекомендовано до видання кафедрою хімічної технології високомолекулярних сполук

Протокол № __ від «__»_____________ 2004

Розглянуто та рекомендовано до видання секцією випускаючих кафедр.

Протокол № __ від «__»_____________ 2004

Укладачі: доцент Макасеева О.Н.

Рецензент: доцент Шуляк Т.Л.

Ó Могилевський державний університет продовольства

Зміст

1. БІЛКИ

1.1 Будова і загальні властивості амінокислот.

1.2 Класифікація амінокислот.

1.3 Кислотно-основні властивості амінокислот.

1.4 Спектри поглинання амінокислот.

1.5 Хімічні реакції амінокислот.

1.6 Пептиди.

1.7 Білки.

1.8 Будова білкової молекули.

1.9 Фізико-хімічні властивості білків.

1.10 Виділення білків і встановлення їх однорідності.

1.11 Класифікація білків.

2. НУКЛЕЇНОВІ КИСЛОТИ.

2.1 Склад нуклеїнових кислот.

2.2 Нуклеозиди.

2.3 Нуклеотиди

2.4 Первинна структура нуклеїнових кислот.

2.5 Вторинна і третинна структури ДНК.

2.6 Структура РНК

Рекомендовано література

1. БІЛКИ

1. Будова і загальні властивості амінокислот

Основною структурною одиницею білків є a-амінокислоти. У природі зустрічається приблизно 300 амінокислот. У складі білків знайдено 20 різних a-амінокислот (одна з них - пролін, є не аміно-, а імінокіслотой). Всі інші амінокислоти існують у вільному стані або в складі коротких пептидів, або комплексів з іншими органічними речовинами.

a-Амінокислоти являють собою похідні карбонових кислот, у яких один водневий атом, у a-вуглецевого атома заміщений на аміногрупу (- N Н _2), наприклад:

Розрізняються амінокислоти за будовою і властивостями радикала R. Радикал може представляти залишки жирних кислот, ароматичні кільця, гетероцикли. Завдяки цьому кожна амінокислота наділена специфічними властивостями, що визначають хімічні, фізичні властивості і фізіологічні функції білків в організмі.

Саме завдяки радикалам амінокислот, білки мають ряд унікальних функцій, не властивих іншим біополімерів, і володіють хімічною індивідуальністю.

Значно рідше в живих організмах зустрічаються амінокислоти з b - або g-становищем аміногрупи, наприклад:

У молекулах всіх природних амінокислот (за винятком гліцину) у a-вуглецевого атома всі чотири валентні зв'язку зайняті різними заступниками, такий атом вуглецю є асиметричною, і отримав назву хіральних атома. Внаслідок цього розчини амінокислот мають оптичну активність - обертають площину плоскополяризованим світла. Причому, при проходженні через них поляризованого променя відбувається поворот площини поляризації або в право (+), або вліво (-). За розташуванням атомів і атомних угруповань в просторі щодо асиметричного атома розрізняють L - і D-стереоізомери амінокислот. Знак і величина оптичного обертання залежать від природи бічного ланцюга амінокислот (R-групи).

Число можливих стереоізомерів рівно 2 ^n, де n - число асиметричних атомів вуглецю. У гліцину n = 0, у треоніну n = 2. Всі інші 17 білкових амінокислот містять по одному асиметричних атому вуглецю, вони можуть існувати у вигляді двох оптичних ізомерів.

Як стандарт при визначенні L і D-конфігурацій амінокислот використовується конфігурація стереоізомерів гліцеринового альдегіду.

Розташування в проекційної формулою Фішера NH _2-групи ліворуч відповідають L-конфігурації, а праворуч - D-конфігурації.

Слід зазначити, що букви L і D означають приналежність того чи іншого речовини за своєю стереохимической конфігурації до L або D ряду, незалежно від спрямованості обертання.

У складі білків виявляються тільки L-ізомери амінокислот. D-форми амінокислот у природі зустрічаються рідко і виявлені лише в складі білків клітинної стінки (глікопротеїнів) деяких бактерій і в пептидних антибіотиках (граміцидин, актиноміцин і т.д.). L-форми добре засвоюються рослинами і тваринами і легко включаються в обмінні процеси. D-форми не асимілюються цими організмами, а іноді навіть інгібують процеси обміну. Це пояснюється тим, що ферментативні системи організмів специфічно пристосовані до L формам амінокислот.

L і D форми амінокислот роблять різний фізіологічний вплив на організм людини - різняться за смаком: D-ізомери солодкі, L-форми гіркі або позбавлені смаку.

Взаємоперетворення D і L-енатіомеров називається рацемізації. Перетворення D Û L - це один з метаболічних процесів у живих організмах, причому рівновагу цього метаболічного процесу сильно зміщене в бік утворення L-форми. Коли метаболічні процеси після смерті організму припиняються, процес D Û L триває мимовільно з дуже малою швидкістю, переводячи для кожної амінокислоти до співвідношення D / L-енантіомерів, характерному для неметаболіческого рівноваги. Для досягнення такої рівноваги можуть знадобитися десятки тисяч років. Новий метод визначення геологічного віку зразка заснований на вимірюванні співвідношення D / L-енантіомерів аспарагінової кислоти в зразках скам'янілих кісток. Результати, отримані методом D / L-датування, добре доповнюють інші дані, отримані, наприклад, радіовуглецевим методом.

Окрім 20 стандартних амінокислот зустрічаються майже у всіх білках, існують ще нестандартні амінокислоти, які є компонентами лише деяких типів білків - ці амінокислоти називають ще модифікованими. Близько 150 з них вже виділені. Ці амінокислоти утворюються після завершення синтезу білка в рибосоме клітин шляхом посттрансляційної хімічної модифікації.

Один із прикладів особливо важливою модифікації - окислення двох-S Н-груп цистеїнових залишків з утворенням амінокислоти цистину, яка містить дисульфідних зв'язків. Так само легко відбувається і зворотний перехід.

Таким шляхом утворюється одна з найважливіших окислювально-відновлювальних систем живих організмів. У великих кількостях цистин міститься в білках злакових - клейковині, в білках волосся, рогів.

Інші приклади амінокислотної модифікації-гидроксипролин і гідроксілізін, які входять до складу колагену-основного білка сполучної тканини тварин.

До складу білка протромбіну (білок згортання крові) входить g-карбоксіглутаміновая кислота, а в ферменті глутатіонпероксидази відкритий селеноцистеїну, в якому (S) сірка замінена на (Se) селен.

2. Класифікація амінокислот

Існує кілька видів класифікацій амінокислот входять до складу білка.

В основу однієї з класифікацій покладено хімічну будову радикалів амінокислот. Розрізняють амінокислоти:

1. Аліфатичні - гліцин, аланін, валін, лейцин, ізолейцин:

2. Гідроксилвмісних - серин, треонін:

3. Сірковмісні - цистеїн, метіонін:

4. Ароматичні - фенілаланін, тирозин, триптофан:

5. З аніонобразующімі групами в бічних ланцюгах-аспарагінова і глутамінова кислоти:

6. і аміди-аспарагінової і глутамінової кислот - аспарагин, глутамін.

7. Основні - аргінін, гістидин, лізин.

Другий вид класифікації заснований на полярності R-груп амінокислот. Розрізняють полярні і неполярні амінокислоти. У неполярних в радикалі є неполярні зв'язку С-С, С-Н, таких амінокислот вісім: аланін, валін, лейцин, ізолейцин, метіонін, фенілаланін, триптофан, пролін.

Всі інші амінокислоти відносяться до полярних (в R-групі є полярні зв'язку С-О, С-N,-ОН, S - H). Чим більше в білку амінокислот з полярними групами, тим вище його реакційна здатність. Від реакційної здатності в чому залежать функції білка. Особливо великим числом полярних груп, характеризуються ферменти. І навпаки, їх дуже мало в такому білку як кератин (волосся, нігті).

Амінокислоти класифікують і на основі іонних властивостей R-груп (таблиця 1). Кислі (при рН = 7 R-група може нести негативний заряд) це аспарагінова, глутамінова кислоти, цистеїн і тирозин. Основні (при рН = 7 R-група може нести позитивний заряд) - це аргінін, лізин, гістидин. Всі інші амінокислоти ставляться до нейтральних (група R незаряжена).

Таблиця 1 - Класифікація амінокислот на основі полярності R-груп.

За кількістю амінних і карбоксильних груп амінокислоти поділяються на моноамінамонокарбоновие, що містять по одній карбоксильної і аміно групи; моноамінодікарбоновие (дві карбоксильні і одна аминная група); діаміномонокарбоновие (дві амінні і одна карбоксильна група).

За здатністю синтезуватися в організмі людини і тварин всі амінокислоти поділяються на замінні, незамінні і частково незамінні.

Незамінні амінокислоти не можуть синтезуватися в організмі людини і тварин вони обов'язково повинні надходити разом з пщей. Абсолютно незамінних амінокислот вісім: валін, лейцин, ізолейцин, треонін, триптофан, метіонін, лізин, фенілаланін.

Частково незамінні-синтезуються в організмі, але в недостатній кількості, тому частково мають надходити з їжею. Такими амінокислотами є арганін, гістидин, тирозин.

Замінні амінокислоти синтезуються в організмі людини в достатній кількості з інших з'єднань. Рослини можуть синтезувати всі амінокислоти.

3. Кислотно-основні властивості амінокислот

Кислотно-основні властивості амінокислот пов'язані з наявністю в їх структурі двох іонізіруемих груп-карбоксильної і аміногрупи, тому амнокіслоти можуть проявляти властивості як кислот, так і підстав, тобто вони є амфотерними з'єднаннями. У кристалічному стані і у водних розчинах a-амінокислоти існують у вигляді біполярних іонів, які називаються також цвіттеріонамі. Іонне будова обумовлює деякі особливості властивостей a-амінокислот: високу температуру плавлення (200-300 ° С), нелетучесть, розчинність у воді і нерозчинність в неполярних органічних розчинниках. З розчинністю амінокислот у воді пов'язана їх всмоктуваність і транспорт в організмі. Іонізація молекул амінокислот залежить від рН розчину. Для моноаміномонокарбонових кислот процес дисоціації має наступний вигляд:

У сильно кислих розчинах амінокислоти присутні у вигляді позитивних іонів, а в лужних - у вигляді негативних.

Кислотно-основні властивості амінокислот можна пояснити виходячи з теорії кислот і основ Бренстеда-Лоурі. Повністю протонувати a-амінокислота (катіонна форма) з позиції теорії Бренстеда є двоосновний кислотою, що містить дві кислотні групи: недіссоціірованную карбоксильну групу (- СООН) і протонувати аміногрупу (N Н _3), які характеризуються відповідними значеннями рК a ₁ і рК a _2.

Величини рК для амінокислот визначають за кривими титрування. Розглянемо криву титрування аланіну (рис. 1).

Рис. 1 - криві, отримані під час титрування 0,1 М розчину аланіну 0,1 М розчином HCl (а) і 0,1 М растором NaOH (б).

З кривої титрування аланіну випливає, що карбоксильна група має рК _{a 1} = 2,34, а протонувати аминогруппа рК _{a 2} = 9,69. При рН = 6,02 аланін існує у вигляді біполярного іона, коли сумарний електричний заряд частинки дорівнює 0. При цьому значенні рН молекула аланіну електронейтральна. Таке значення рН називають ізоелектричної точкою і позначають рН _ВЕТ або р I. Для моноаміномонокарбонових кислот ізоелектрична точка розраховується як середнє арифметичне двох значень рК _a. Наприклад для аланіну вона дорівнює:

р I = Ѕ × (рК a ₁ + рК a ₂₎ = Ѕ × (2,34 + 9,69) = 6,02

При значенні рН, що перевищує ізоелектричної точку, амінокислота заряджається негативно, а при значенні рН нижче р I амінокислота несе сумарний позитивний заряд. Наприклад, при рН = 1,0 усі молекули аланіну існують у формі іонів

з сумарним зарядом +1. При рН = 2,34, коли є суміш рівних кількостей іонів

сумарний заряд = +0,5. Аналогічним чином можна передбачити знак і величину сумарного заряду для будь-якої іншої амінокислоти при будь-якому значенні рН.

Амінокислоти з іонізіруемой групою в радикалі мають більш складні криві титрування, що складаються з 3-ох ділянок, що відповідають трьом можливим стадіям іонізації, і, отже, вони мають три значення рК (рК a _1, рК a ₂ і рК _R). Іонізація кислих амінокислот, наприклад аспарагінової, складається з наступних послідовних стадій:

Ізоелектричної точки таких амінокислот визначаються також присутністю іонізіруемой групою радикала, поряд з a-аміно і a-карбоксильними групами. Для моноамінодікарбонових кислот ізоелектричної точки зміщені в кислу область рН і визначаються як середнє арифметичне між величинами рК для двох карбоксильних груп (р I аспарагінової кислоти = 2,97). Для основних амінокислот р I зміщені в лужну область і обчислюються як середнє арифметичне між величинами рК для двох протонувати аміногруп (р I лізину = 9,74).

Кислотно-основні властивості амінокислот використовуються для поділу і подальшої ідентифікації амінокислот методами електрофорезу та іонообмінної хроматографії. Обидва ці методу засновані на відмінностях у знаку і величиною сумарного електричного заряду при даному значенні рН.

4. Спектри поглинання амінокислот

Амінокислоти входять до складу білка, поглинають світло тільки в далекій ультрафіолетової області. Ароматичні амінокислоти тирозин, фенілаланін і особливо триптофан поглинають при 260-280 мм. Цистеїн має слабку поглинанням при 240 нм внаслідок наявності в ньому дисульфідній групи.

5. Хімічні реакції амінокислот

Амінокислоти можуть брати участь у багатьох реакціях за участю a-аміно, a-карбокси і різних функціональних R-груп. Ці реакції детально розглянуті в методичному вказівці «Хімія і біохімія амінокислот і поліпептидів». Відзначимо лише деякі реакції, що мають особливо важливе значення.

Реакція з нінгідрином (рН> 5) лежить в основі виявлення та кількісного визначення амінокислот і білків.

Інтенсивність утворюється забарвлення, оцінюють, вимірюючи поглинання світла при довжині хвилі 540 нм (для проліну - 440 нм).

Для ідентифікації амінокислот служить також отримання: 1) фенілтіогітантіонових (ФТТ) похідних амінокислот, що поглинають в УФ області, 2) дансільних флуоресціюючих похідних (ДНФ) і т.д.

Для харчовиків представляє інтерес реакція амінокислот з сполуками, що містять карбонільну групу С = О, з різними альдегідами і відновлюють цукрами (глюкозою, рибоза і частково фруктозою). В результаті цієї реакції відбувається розкладання як вихідної амінокислоти, так і реагує з нею відновлюючого цукру.

Альдегіди, що утворилися з амінокислот, мають певним запахом, від якого значною мірою залежить аромат багатьох харчових продуктів.

Лейцин дає запах житнього хліба, гліцин - карамелі, фурфурол - запах зеленого яблука, гідроксиметилфурфурол - запах меду.

Далі фурфурол і гідроксиметилфурфурол реагують з новою молекулою амінокислоти в результаті утворюються Темна з'єднання - Меланоїдіни. Утворення їх пояснює спостережуване потемніння багатьох харчових продуктів під час їх виготовлення. Особливо інтенсивно реакція між амінокислотами і відновлюють цукрами відбувається при підвищеній температурі, яка має місце під час сушіння харчових продуктів, овочів, фруктів, молока, солоду. Освіта золотисто-коричневої скориночки, специфічного аромату і смаку хліба залежать в основному від меланоідінових реакцій, що відбуваються при випічці.

6. Пептиди

Амінокислоти з'єднуються один з одним ковалентним пептидной зв'язком. Освіта її відбувається за рахунок a-аміногрупи (- NH ₂₎ однієї амінокислоти і a-карбоксильной (-СООН) групи інший з виділенням молекули води.

У результаті реакції поліконденсації можна отримати з'єднання, складені з багатьох амінокислотних залишків - поліпептиди. При написанні формули лінійних пептидів з відомою послідовністю амінокислотних залишків починають з N-кінця (на кінці пептиду знаходиться вільна a-аміногрупи), використовуючи скорочені позначення амінокислот. Назви пептидів складаються з назв відповідних амінокислот з суфіксом-мул, починаючи з N-кінцевого залишку, - назва С-кінцевий амінокислоти (містить вільну a-карбоксильну групу) зберігається. Наприклад, аргініл-аланіл-гліцин-глутаміл-лізин.

Кожен пептид містить тільки одну вільну a-аміно-і a-карбоксильну групу, які знаходяться на кінцевих залишках амінокислот. Ці групи і R-групи деяких амінокислот можуть бути іонізовані, тому пептиди можуть нести заряди, і можуть бути електронейтральні (тобто мати ізоелектричної точку (ВЕТ). Це властивість пептидів використовується для їх поділу методами іонної хроматографії та електрофорезу. Як і інші з'єднання, пептиди можуть вступати в хімічні реакції, обумовлені наявністю у них груп - NH _2, - COOH, і R груп-амінокислот. Однією з важливих реакцій для пептидів є реакція гідролізу. Реакція гідролізу всіх пептидних зв'язків шляхом кип'ятіння розчинів пептидів в присутності сильної кислоти або лугу використовується при визначенні їх амінокислотного складу та складу білків.

Гідроліз пептидних зв'язків може бути здійснений також дією деяких ферментів, які розщеплюють пептидні зв'язку вибірково, з утворенням коротких пептидів. Наприклад трипсин гідролізує зв'язку утворені карбоксильними групами лізину, аргініну; хімотрипсин-карбоксильними групами фенілаланіну, тирозину, триптофану. Такий виборчий аналіз виявляється дуже корисним при встановленні амінокислотної послідовності білків і пептидів.

Крім пептидів, що утворюються в результаті часткового гідролізу молекул білка, існує багато пептидів, що зустрічаються в живих організмах як вільні з'єднання.

Багато природних пептиди відрізняються за своєю структурою від білків; такі пептиди є у всіх типах організмів. У структурному відношенні пептиди небілкової природи досить різноманітні: відрізняються за розмірами, наявності циклічних структур, розгалуженості, наявності D-і a-амінокислот і, в деяких окремих випадках, за унікальним будовою пептидного зв'язку. Виходячи з принципу взаємозв'язку структури і функцій, біологічні функції таких пептидів також дуже багатопланові. Наведемо кілька цікавих прикладів.

Карнозин і Ансерін. Ці дипептиди знайдені у м'язових тканинах хребетних, в тому числі і в м'язах людини. Обидва вони містять b-аланін - структурний ізомер a-аланіну.

Ці дипептиди служать для підтримки постійного рН у клітинах м'язів, тобто діють як буфери, також вони беруть участь у скороченні м'язів, в процесах окисного фосфорилювання тобто в утворенні АТФ.

Глутатіон (g-глутамілцістеінілгліцін) - трипептид, присутній у всіх тварин, рослинах і мікроорганізмах.

Відмітна особливість структурна глутатіону, полягає в тому, що глутамінова кислота в складі цього пептиду представляє для утворення пептидного зв'язку g-карбоксильну (а не a-карбоксильну групу). Існують дві форми глутатіону відновлена ​​(SH-глутатіон) і окислена (S - S-глутатіон). Взаємоперетворення однієї форми в іншу каталізується ферментом глутатіонредуктази.

В даний час відомі лише деякі з фізіологічних функцій глутатіону:

1. участь у транспорті амінокислот через клітинні мембрани;

2. підтримання відновленого стану заліза (Fe ⁺²⁾ в гемоглабина;

3) входить до складу ферменту глутатіонпероксидази, який захищає клітини від руйнівної дії Н ₂ О _2.

4) бере участь у детоксикації ряду чужорідних для живої клітини сполук (галогенсодержащие аліфатичні або ароматичні вуглеводні) переводить їх у водорозчинні сполуки, які виводяться з організму нирками.

5) відновлений глутатіон захищає SH-групи білка від окислення, сам при цьому перетворюється в окислений.

Глутатіон впливає і на технологічні властивості зерна і борошна. Відновлений глутатіон викликає відновлення і розрив дисульфідних зв'язків в молекулі білків клейковини, тобто руйнує її. Тісто з такого борошна має поганими структурно-механічними властивостями), воно послаблюється, розпливається з нього не можна отримати хліб нормальної якості.) Багато глутатіону в старих дріжджах і зародках зернових, що слід враховувати в хлібопеченні. Відновлений глутатіон здатний активувати протеїнази (ферменти ращепляются білки) зерна і борошна, при цьому починається посилено протікати протеоліз білків клейковини і викликане ним розрідження тіста. Глутатіон сприяє накопиченню в пиві азотистих сполук порівняно великої молекулярної маси, що викликає утворення каламуті в пиві і погіршує його споживчі властивості.

З 1981р. дозволено використовувати як низькокалорійної добавки для додання продуктам солодкого смаку аспартам (торгова назва). Аспартам в 200 разів солодше цукру і є метиловий ефір дипептиду, що складається із залишків аспарагінової кислоти і фенілаланіну.

У ссавців (у тому числі у людини) виробляються пептиди володіють гормональним регуляторним дією, причому діапазон докладання їх дії і ефективність в організмі дуже різноманітні. Наприклад, два циклічних нонапептіда виробляє гіпофіз. Окситоцин стимулює скорочення матки у вагітних самок і виділення молока у годуючих самок. Вазопресин володіє сильним антидиуретическим дією і бере участь у контролі кров'яного тиску. Соматостатин - один з гормонів гіпоталамуса - інгібує синтез гормону росту людини в гіпофізі, що призводить до затримки росту і розвитку тіла.

У 1975р. відкрита група пептидів, які впливають на передачу нервових імпульсів. Їх також називають опіатних пептидами, оскільки механізм їх дії схожий з механізмом дії морфіну та інших опіоїдів. Вони присутні в дуже малих кількостях, як у хребетних, так і у безхребетних. Ці речовини мають сильну знеболюючу дію, а також беруть участь в регуляції настрою і поведінки.

7. Білки

Поліпептиди, що містять більше 51 амінокислоти, відносяться до білків. Білки входять до складу всіх клітин і тканин живих організмів. Близько 50% сухої речовини клітини припадає на білки.

Білки характеризуються певним елементарним складом. Хімічний аналіз показав наявність у всіх білках вуглецю (50-55%), кисню (21-24%), азоту (15-18%), водню (6-7%), сірки (0,3-2,5%) . У складі окремих білків виявлено також фосфор, йод, залізо, мідь і деякі інші макро і мікроелементи, у різних, часто дуже малих кількостях.

Білками (протеїнами, від грецького protas - перший, найважливіший) називають високомолекулярні природні полімери, молекули яких побудовані із залишків амінокислот.

Вражає те, що всі білки у всіх організмах побудовані їхні одного і того ж набору - 20-ти амінокислот, кожна з яких не має ніякої біологічною активністю. Що ж тоді надає білку специфічну активність, одним ферментативну, іншим, гормональну, третім захисну і т.д.

Відповідь досить проста: білки відрізняються один від одного тим, що кожен має свою характерну для нього амінокислотну послідовність.

Амінокислоти - це абетка білкової структури; з'єднавши їх в різному порядку можна отримати нескінченне число послідовностей, а, отже, і нескінченну кількість різноманітних білків, що виконують різні біологічні функції.

1. Ферментативна (каталітична). У біологічних системах майже всі реакції каталізується специфічними білками - ферментами. В даний час відкрито близько 300 різних ферментів, кожен з яких служить каталізатором певної біологічної реакції. Синтез і розпад речовин, їх регуляція, перенесення хімічних груп і електронів від однієї речовини до іншого здійснюється за допомогою ферментів.

2. Будівельна, структурна функція. Білки утворюють основу протоплазми будь живої клітини, в комплексі з ліпідами вони є основним структурним матеріалом всіх клітинних мембран всіх органел.

3. Рухова функція. Будь-які форми руху в живій природі (робота м'язів, рух війок і джгутиків у найпростіших, рух протоплазми в клітці і т.д.) здійснюється білковими структурами.

4. Транспортна функція. Перенесення різних молекул, іонів здійснюється специфічними білками. Наприклад, білок крові гемоглобін переносить кисень до тканин. Перенесення жирних кислот по організму відбувається за участю іншого білка крові-альбуміну.

5. Регуляторна функція. Регуляція вуглеводного, білкового, ліпідного обмінів здійснюється за допомогою гормонів, які за своєю будовою відносяться до білків (інсулін) або пептидів (окситоцин, вазопресин та ін.)

6. Захисна - цю функцію виконують імуноглобуліни (антитіла). Вони мають здатність знешкоджувати бактерії, віруси, чужорідні білки, що потрапили в організм ззовні. Процес згортання крові, захищає організм від її втрати, заснований на перетвореннях білка - фібриногену. Кератин - білок волосяного захисного покриву.

7. Фоторецепторні білки: наприклад, родопсин, що бере участь в зорових процесах.

8. Резервні білки використовуються, як запасний матеріал для живлення зародка та новонародженого організму - це білки насіння зернобобових культур, альбумін - яєчний білок, казеїн молока. Ферретіна - білок тварин тканин в якому запасено залізо. Резервні білки є найважливішими компонентами рослинної і тваринної їжі.

Є багато інших білків, функції яких досить незвичайні. Наприклад, монеллін - білок, виділений з африканської рослини, має дуже солодкий смак. Його вивчають як речовина нетоксичний і не сприяє ожирінню, з метою використання в їжу замість цукру. Плазма крові деяких антарктичних риб місти білок, що володіє властивостями антифризу.

Технологія багатьох виробництв заснована на переробці білків, зміну їх властивостей; в шкіряної промисловості, при виробництві хутра, натурального шовку, виробленні сирів, хліба і т.д.

8. Будова білкової молекули

Для опису будови білкової молекули були введені поняття про первинну, вторинної, третинної і четвертинної структурах білкової молекули. В останні роки з'явилися ще такі поняття, як сверхвторічная структура, що характеризує енергетично переважні агрегати вторинної структури, і домени - частини білкової глобули, що представляють собою досить відокремлені глобулярні області.

Кількість і послідовність розташування амінокислот, і місцеположення дисульфідних зв'язків у поліпептидного ланцюга визначають первинну структуру білка. Між первинною структурою білка і його функцією у даного організму існує найтісніший зв'язок. Для того, щоб білок виконував властиву йому функцію, необхідна абсолютно певна послідовність амінокислот у поліпептидному ланцюзі цього білка. Навіть невеликі зміни в первинній структурі можуть значно змінювати властивості білка і відповідно його функції. Наприклад, в еритроцитах здорових людей міститься білок-гемоглобін з певною послідовністю амінокислот. Невелика частина людей має вроджену аномалію структури гемоглобіну: їх еритроцити містять гемоглобін, у якого в одному положенні замість глутамінової кислоти (зарядженої, полярної) міститься амінокислота валін (гідрофобна, неполярний). Такий гемоглобін істотно відрізняється за фізико-хімічними та біологічними властивостями від нормального. Поява гідрофобною амінокислоти, призводить до виникнення «липкого» гідрофобного контакту (еритроцити погано пересуваються в кровоносних судинах), до зміни форми еритроцита (з двояковогнутого в серповидний), а також до погіршення перенесення кисню і т.д. Діти, що народилося з цією аномалією, в ранньому дитинстві гинуть від серповидноклеточной анемії.

Вичерпні докази на користь твердження, що біологічна активність визначається амінокислотної послідовністю, були отримані, після штучного синтезу ферменту рибонуклеази (Мерріфілд). Синтезований поліпептид з тією ж амінокислотної послідовністю, як і природний фермент, мав таку ж ферментативною активністю.

Дослідження останніх десятиліть показали, що первинна структура закріплена генетично і в свою чергу визначає вторинну, третинну і четвертинну структури білкової молекули і її загальну конформацію. Першим білком, у якого була встановлена ​​первинна структура, був білковий гормон інсулін (містить 51 амінокислоту). Це було зроблено в 1953 р. Фредеріком Сенгер. До теперішнього часу розшифрована первинна структура більше десяти тисяч білків, але це дуже невелика кількість, якщо врахувати, що в природі білків близько 10 ^12.

Знаючи первинну структуру білка, можна точно написати його структурну формулу, якщо білок представлений однією поліпептидного ланцюгом. Якщо до складу білка входить кілька поліпептидних ланцюгів, то їх попередньо роз'єднують, використовуючи спеціальні реактиви. Для визначення первинної структури окремої поліпептидного ланцюга, методами гідролізу з використанням амінокислотних аналізаторів, встановлюють її амінокислотний склад. Потім, застосовуючи спеціальні методи і реагенти, визначають природу кінцевих амінокислот. Для встановлення порядку чергування амінокислот, поліпептидний ланцюг піддають ферментативному гідролізу, при якому утворюються осколки цієї поліпептидного ланцюга - короткі пептиди. Ці пептиди поділяють методом хроматографії і встановлюють послідовність амінокислот у кожному. Таким чином, досягається етап, коли послідовність амінокислот в окремих пептидах (фрагментах білка) відома, але залишається нез'ясованою послідовність самих пептидів. Останню встановлюють за допомогою так званих перекриваються пептидів. Для цього використовуються будь-який інший фермент, що розщеплює вихідну полипептидную ланцюг в інших ділянках, і визначають амінокислотну послідовність знову отриманих пептидів. Пептиди, утворені під дією двох ферментів, містять однакові фрагменти амінокислотних послідовностей., Поєднуючи їх встановлюють загальну амінокислотну послідовність поліпептидного ланцюга.

Великий внесок у вивчення будови білкової молекули зробили Л. Полінг і Р. Корі. Звернувши увагу на те, що в молекулі білка найбільше пептидних зв'язків, вони першими провели кропіткі рентгеноструктурниє дослідження цього зв'язку. Вивчили довжини зв'язків, кути під якими розташовуються атоми, напрямок розташування атомів щодо зв'язку. На підставі досліджень було встановлено наступні основні характеристики пептидного зв'язку.

1. Чотири атома пептидного зв'язку і два приєднаних a-вуглецевих атома лежать в одній площині. Групи R і Н a-вуглецевих атомів лежать поза цій площині.

2. Атоми О і Н пептидного зв'язку і два a-вуглецевих атома і R-групи мають транс-орієнтацію щодо пептидного зв'язку.

3. Довжина зв'язку С-N, що дорівнює 1,32 Е, має проміжне значення між довжиною подвійний ковалентного зв'язку (1,21 Е) і однорідної ковалентного зв'язку (1,47 Е). Звідси випливає, що зв'язок С-N має частково характер подвійного зв'язку. Тобто пептидная зв'язок може існувати у вигляді резонансних і таутамерних структур, в кето-енольной формі.

Обертання навколо зв'язку-С = N - утруднене і всі атоми, що входять до пептидную групу, мають планарную транс-конфігурацію. Цис-конфігурація є енергетично менш вигідною і зустрічається лише в деяких циклічних пептидах. Кожен планарний пептидний фрагмент містить дві зв'язку з a-вуглецевими атомами, здатними до обертання. Це зв'язку З _a - N (кут обертання навколо зв'язку з цим позначається j) і зв'язок С _a-С (кут обертання навколо зв'язку з цим позначається y).

Пептидний зв'язок за своєю хімічною природою є ковалентного і надає високу міцність первинної структурі білкової молекули. Будучи повторюваним елементом поліпептидного ланцюга і маючи специфічні особливості структури, пептидная зв'язок впливає не тільки на форму первинної структури, а й на вищі рівні організації поліпептидного ланцюга.

Вторинна структура білкової молекули утворюється в результаті того чи іншого виду вільного обертання навколо зв'язків, що з'єднують a-вуглецеві атоми в поліпептидного ланцюга.

У природних поліпептидних ланцюгах виявлено три основні типи структури: a-спіраль, складчастий лист і статистичний клубок. Спіральна структура утворюється якщо в ланцюзі однакові кути поворотів (j) для всіх зв'язків С _a - N і кутом повороту (y) для всіх зв'язків С _a-С і рівні відповідно-48є і 57є-. Найбільш часто зустрічається правозакрученная a-спіраль. Ця структура дуже стабільна, тому в ній майже або повністю відсутні стерические труднощі, особливо для R-груп бічних ланцюгів амінокислот. R-групи амінокислот спрямовані назовні від центральної осі a-спіралі. В a-спіралі диполі = С = О і> N-Н сусідніх пептидних зв'язків орієнтовані оптимальним чином (майже коаксіальний) для дипольного взаємодії, утворюючи внаслідок цього велику систему внутрішньомолекулярних кооперативних водневих зв'язків, що стабілізують a-спіраль. Крок спіралі (один повний виток) 5,4 Е включає, 3,6 амінокислотних залишку.

Рисунок 1 - Структура і параметри a-спіралі білка

Спіральну структуру можуть порушити два фактори:

1) у наявність залишку проліну, циклічна структура якого вносить злам в пептидную ланцюг - немає групи - N Н _2, тому неможливо освіти внутріцепочечной водневого зв'язку;

2) якщо в поліпептидного ланцюга поспіль розташовано багато залишків амінокислот, мають позитивний заряд (лізин, аргінін) або негативний заряд (глутамінової, аспарагінової кислот), в цьому випадку сильне взаємне відштовхування одноіменнозаряженних груп (-СОО ^- або ^- N Н ₃ ⁺⁾ значно перевершує стабілізуючий вплив водневих зв'язків в a-спіралі.

Структура типу складчастого листа також стабілізована водневими зв'язками між тими ж диполями = N Н ^...... О = С <. Проте в цьому випадку виникає зовсім інша структура, при якій остов поліпептидного ланцюга витягнуть таким чином, що має зигзагоподібну структуру. Кути обертання для зв'язків С _a - N _(j) і С _{a-С (y)} близькі відповідно до -120 +135 ^0. Складчасті ділянки поліпептидного ланцюга проявляють кооперативні властивості, тобто прагнуть розташуватися поруч у білковій молекулі, і формують паралельні

одінаковонаправленние поліпептидні ланцюги або антипаралельних,

які зміцнюються завдяки водневим зв'язкам між цими ланцюгами. Такі структури називаються b-складчасті листи (малюнок 2).

Рисунок 2 - b-структура поліпептидних ланцюгів

a-Спіральні складчасті листи - це впорядковані структури, в них є регулярна укладання амінокислотних залишків у просторі. Ділянки білкової ланцюга з нерегулярною укладанням амінокислотних залишків у просторі, які також утримуються завдяки водневим зв'язкам - називаються неупорядкованими, безструктурними - статистичним клубком. Всі ці структури виникають спонтанно і автоматично внаслідок того, що даний поліпептид має певну амінокислотну послідовність, яка зумовлена ​​генетично. A-спіралі і b-структури обумовлюють певну здатність білків до виконання специфічних біологічних функцій. Так, a-спіральна структура (a-кератин) добре пристосована до того, щоб утворювати зовнішні захисні структури-пір'я, волосся, роги, копита. B-структура сприяє утворенню гнучких і нерозтяжних ниток шовку і павутини, а конформація білка колагену забезпечує високу міцність на розрив, необхідну для сухожиль. Наявність тільки a-спіралей або b-структур характерно для ниткоподібних-фибрилярного білків. У складі глобулярних-кулястих білків зміст a-спіралей і b-структур і безструктурні ділянок сильно варіює. Наприклад: інсулін спіралізують-на 60%, фермент рибонуклеаза - 57%, білок курячого яйця лізоцим - на 40%.

Відомості про чергування амінокислотних залишків у поліпептидному ланцюзі, а також про наявність у білковій молекулі спіраль, складчастих і невпорядкованих ділянок ще не дають повного уявлення ні про обсяг, ні про форму, ні тим більше про взаємне розташування ділянок поліпептидного ланцюга по відношенню один до одного.

Ці особливості будови білка з'ясовуються при вивченні його третинної структури, під якою розуміють загальне розташування в просторі в певному обсязі поліпептидного ланцюга.

Третинна структура встановлюється за допомогою рентгеноструктурного аналізу. Перша модель молекули білка - міоглобіну, що відображає його третинну структуру, була створена Дж. Кендрю зі співробітниками в 1957р. Незважаючи на великі труднощі до теперішнього часу вдалося встановити третинну структуру понад 1000 білків, у тому числі гемоглобіну, пепсину, лізоциму, інсуліну і т.д.

Третинна структура білків утворюється шляхом додаткового складання пептидного ланцюга містить a-спіраль, b-структури і ділянки без періодичної структури. Третинна структура білка формується зовсім автоматично, мимоволі і повністю зумовлюється первинною структурою. Основною рушійною силою у виникненні тривимірної структури, є взаємодія радикалів амінокислот з молекулами води. При цьому неполярні гідрофобні радикали амінокислот групуються всередині білкової молекули, в той час як полярні радикали орієнтуються в сторону води. У якийсь момент виникає термодинамічно найбільш вигідна стабільна конформація молекули - глобула. У такій формі білкова молекула характеризується мінімальної вільної енергією. На конформацію виникла глобули впливають такі фактори як рН розчину, іонна сила розчину, а також взаємодія білкових молекул з іншими речовинами.

Останнім часом з'явилися докази, що процес формування третинної структури не є автоматичним, а регулюється і контролюється спеціальними молекулярними механізмами. У цьому процесі задіяні специфічні білки - шаперони. Основними функціями їх є здатність запобігати утворенню з поліпептидного ланцюга неспецифічних (хаотичних) безладних клубків, і забезпечення доставки (транспорту) їх до субклітинних мішенях, створюючи умови для завершення згортання білкової молекули.

Стабілізація третинної структури забезпечується завдяки Нековалентні взаємодії між атомними угрупованнями бічних радикалів наступних типів:

• водневі зв'язки можуть виникати між функціональними групами бічних радикалів. Наприклад, між ОН групою тирозину і - N <в кільці залишку гістидину.

• електростатичні сили притягання між радикалами, що несуть протилежно заряджені іонні групи (іон-іонні взаємодії), наприклад негативно заряджена карбоксильная група (- СОО ^-) аспарагінової кислоти і (N Н ₃ ⁺⁾ позитивно зарядженої e-аміногрупи залишку лізину.

• гідрофобні взаємодії обумовлені силами Ван-дер-Ваальса між неполярними радикалами амінокислот. (Наприклад, групами-СН ₃ - аланіну.

Стабілізується третинна структура і ковалентного дисульфідній зв'язком (- S - S -) між залишками цистеїну. Цей зв'язок дуже міцна і присутня не в усіх білках. Важливу роль цей зв'язок відіграє в білкових речовинах зерна і борошна, т.к. впливає на якість клейковини, структурно-механічні властивості тіста і відповідно на якість готової продукції - хліба і т.д.

Білкова глобула не є абсолютно жорсткою структурою: у відомих межах можливі оборотні переміщення частин пептидного ланцюга щодо один одного з розривом невеликої кількості слабких зв'язків та утворення нових. Молекула ніби дихає, пульсує в різних своїх частинах. Ці пульсації не порушують основного плану конформації молекули, подібно до того, як теплові коливання атомів у кристалі не змінюють структуру кристала, якщо температура не настільки велика, що настає плавлення.

Тільки після придбання білковою молекулою природною, нативної третинної структури він проявляє свою специфічну функціональну активність: каталітичну, гормональну, антигенну і т.д. Саме при утворенні третинної структури відбувається формування активних центрів ферментів, центрів відповідальних за вбудовування білка в мультиферментного комплекс, центрів, відповідальних за самосборку надмолекуляних структур. Тому будь-які дії (термічні, фізичні, механічні, хімічні), що призводять до руйнування цієї нативної конформації білка (розрив зв'язків), супроводжується частковою або повною втратою білком його біологічних властивостей.

Вивчення повних хімічних структур деяких білків показало, що в їх третинної структурі виявляються зони, де сконцентровані гідрофобні радикали амінокислот, і поліпептидний ланцюг фактично обмотується навколо гідрофобного ядра. Більше того, у ряді випадків у білкової молекули відокремлюються два і навіть три гідрофобних ядра, в результаті виникає 2-х або 3-х ядерна структура. Такий тип будови молекули характерний для багатьох білків, що володіють каталітичною функцією (рибонуклеаза, лізоцим і т.д.). Відокремлена частина чи область молекули білка володіє певною мірою структурної та функціональної автономією називається доменом. У ряду ферментів, наприклад, відокремлені субстрат-зв'язуючі і кофермент зв'язують домени.

Третинна структура білка має пряме відношення до його форми, яка може бути різною: від кулястої до ниткоподібної. Форма білкової молекули характеризується таким показником, як ступінь асиметрії (відношення довгої осі до короткої). У фібрилярних або ниткоподібних білків ступінь асиметрії більше 80. При ступеня асиметрії менше 80 білки відносяться до глобулярних. Більшість з них має ступінь асиметрії 3-5, тобто третинна структура характеризується досить щільною упаковкою поліпептидного ланцюга, що наближається за формою до кулі.

У біологічному відношенні фібрилярні білки відіграють дуже важливу роль, пов'язану з анатомією і фізіологією тварин. У хребетних на частку цих білків припадає 1 / 3 від їх загального вмісту. Прикладом фибрилярного білків може служити білок шовку - фиброин, який складається з декількох антипаралельних ланцюгів зі структурою складчастого листа. Білок a-кератин містить від 3-7 ланцюгів. Колаген має складну структуру, в якій 3 однакові левовращающіе ланцюга скручені разом з утворенням правовращающей потрійної спіралі. Ця потрійна спіраль стабілізована численними міжмолекулярними водневими зв'язками. Наявність таких амінокислот, як гідроксипроліну і гідроксілізіна також вносить вклад в утворення водневих зв'язків, що стабілізують структуру потрійної спіралі. Всі фібрилярні білки погано розчинні або зовсім нерозчинні у воді, так як в їх складі міститься багато амінокислот, що містять гідрофобні, нерозчинні у воді R-групи ізолейцин, фенілаланін, валін, аланін, метіонін. Після спеціальної обробки нерозчинний і нетравне колаген перетворюється в желатин-розчинну суміш поліпептидів, який потім використовують в харчовій промисловості.

Глобулярні білки виконують різноманітні біологічні функції. Вони виконують транспортну функцію, тобто переносять поживні речовини, неорганічні іони, ліпіди і т.д. До цього ж класу білків належать гормони, а також компоненти мембран і рибосом. Всі ферменти теж глобулярні білки.

Білки містять дві або більше число поліпептидних ланцюгів називають олігомерних білками для них характерна наявність четвертинної структури. Поліпептидні ланцюги (проміри) в таких білках можуть бути або однаковими або різними. Олігомерні білки називають гомогенними, якщо їх протомери однакові і гетерогенними, якщо їх протомери різні. Наприклад-білок гемоглобін складається з 4-х ланцюгів: двох - a і двох - b протомеров. Фермент a-амілаза складається з 2-х однакових поліпептидних ланцюгів. У олігомерних білках кожна з поліпептидних ланцюгів характеризується своєю вторинної та третинної структурою, і називається субодиницею або протомером. Протомери взаємодіють один з одним не будь-якою частиною своєї поверхні, а певною ділянкою (контактної поверхнею). Контактні поверхні мають таке розташування атомних угруповань, між якими виникають водневі, іонні, гідрофобні зв'язку. Крім того, геометрія протомеров також сприяє їх з'єднанню. Протомери підходять один до одного, як ключ до замка. Такі поверхні називаються компліментарними. Кожен протомер взаємодіє з іншим в безлічі точок, це призводить до того, що з'єднання з іншими поліпептидними ланцюгами або білками неможливо. Такі компліментарні взаємодії молекул лежать в основі всіх біохімічних процесів в організмі. Під четвертинної структурою розуміють розташування поліпептидних ланцюгів (протомеров) відносно один одного, тобто спосіб їх спільної укладання й упаковки з утворенням нативної конформації олігомерного білка, в результаті чого білок володіє тією чи іншою біологічною активністю.

9. Фізико-хімічні властивості білків

Білки, завдяки присутності в їх складі іонних і полярних угруповань (- NH _2; - COOH; - SH; - OH і т.д.) існують у водних розчинах у вигляді заряджених частинок. Залежно від співвідношення в білку основних (NH-амінних) і кислих (-СООН карбоксильних) угруповань і рН середовища молекула білка у водному розчині здобуває позитивний або негативний заряд. Більшість білків тваринного походження містять у своєму складі більше дикарбонових амінокислот аспарагінової і глютамінової і тому у водних розчинах вони заряджаються негативно (білки-аніони). Деякі білки містять у своєму складі значні кількості діамінокіслот (аргініну, лізину, гістидину) і тому заряджаються позитивно (білки-катіони). Однойменний заряд молекул сприяє взаємному відштовхуванню частинок, що забезпечує стійкість їх у водному розчині.

Число іонізованих груп в білку може бути збільшено або зменшено при зміні рН середовища. У кислому середовищі пригнічується дисоціація карбоксильних груп і негативний сумарний заряд білка зменшується. Навпаки, у лужному середовищі пригнічується іонізація амінних груп і позитивний сумарний заряд білка зменшується. При певному значенні рН число позитивних зарядів на поверхні білкової молекули буде дорівнює кількості негативних зарядів і, в цілому заряд молекули білка стане рівним нулю. Стан білка, при якому сумарний заряд його дорівнює нулю, називається ізоелектричної станом. рН, при якому білок знаходиться в ізоелектричної стані називається ізоелектричної точкою білка і позначається р I. У ізоелектричної точці відсутність заряду у молекул білка послаблює сили відштовхування між білковими частинками, що сприяє агрегації білкових молекул і випадання білка в осад, тобто в ізоелектричної точці розчин білка нестійкий, тому що білок втрачає один з факторів стабілізації білкових водних розчинів - заряд.

При додаванні лугу або кислоти до білка, який випав в осад у ізоелектричної стані, настає перезарядка його молекул, і білок знову переходить в розчин - розчиняється.

Білки зберігають свою нативну структуру, а, отже, виконують властиву їм функцію лише за певних фізико-хімічних параметрах середовища. Якщо якимось чином зруйнувати зв'язку стабілізуючі просторову структуру (вторинну, третинну, четвертинних) білкової молекули, то впорядкована, унікальна для кожного білка конформація пептидного ланцюга порушується і молекула цілком або в значній частині приймає форму випадкового безладного клубка. Така зміна білка називають денатурацією. При денатурації білка первинна структура зберігається.

Денатурацію можна викликати дією фізичних і хімічних чинників. Висока температура (вище 60є) викликає руйнування в білку гідрофобних та водневих зв'язків.

Швидкість теплової денатурації залежить від температури, вологості, (сухі білки більш стійкі до денатурації) присутності солей, їх концентрації. Теплова денатурація супроводжується агрегацією білків, випаданням в осад, що являє собою вже вторинне явище. Типовим прикладом денатурації може служити згортання білків курячого яйця при нагріванні.

Білки денатурують і при багатьох механічних впливах: розтиранні, енергійному струшуванні, при опроміненні ультрафіолетовому, високочастотному і т. д. При ліофілізації більшість Бєлов не денатурує, тому цей спосіб сушіння використовується для отримання білкових препаратів.

Дія кислот і лугів так само викликає денатурацію внаслідок перезарядки і зміни дисоціації йоногенних амінокислот. При сильному підкисленні або підлуженні все диссоциирующие групи білка мають однойменний заряд (переважно N Н ₃ ^+-груп при низьких значеннях рН і-СОО ^{- -} при високих). Взаємне відштовхування однойменних зарядів викликає розрив частини слабких зв'язків, в результаті чого порушується нативна структура. Проте є білки, які стійкі при крайніх значеннях рН. Наприклад, пепсин при рН 1,5-2 має максимальну активність, у аргінази оптимум рН 9,5-9,7.

Денатурація може бути викликана катіонами важких металів і деякими аніонами - йоду, тіоционату та ін Вважають, що при цьому утворюються міцні комплексні сполуки і відбувається порушення власних зв'язків в білку іонних, водневих, гідрофобних.

Дія органічних розчинників викликає порушення гідрофобних взаємодій у молекулах білка.

Полярні денатурирующие агенти низькі спирти, етиленгліколь, діоксану та ін утворюють водневі зв'язки з аміногрупами або карбоксильними групами пептидного кістяка й з деякими групами радикалів амінокислот, підміняючи власні внутрішньомолекулярні водневі зв'язки в білку, внаслідок чого четвертичная, третинна і вторинна структури частково або повністю руйнуються.

Деякі хімічні сполуки (гліцерин, глюкоза та ін цукру) надають на білки захисну дію. Вважають, що це пов'язано з їх адсорбцією на глобула білків і утворенням великих гідрофільних комплексів. Денатурація білків супроводжується зміною їх фізико-хімічних властивостей. Знижується розчинність, гідрофільність білка, його в'язкість, оптичні властивості. Денатуровані білки дають більш інтенсивні кольорові реакції на амінокислоти, тому вони стали більш доступними внаслідок розгортання поліпептидного ланцюжка. «Оголюються» при цьому і пептидні зв'язку, тому протеоліз денатурованих білків ферментами протікає з більшою швидкістю, ніж нативних.

При денатурації білок втрачає свою біологічну активність, що виражається в нездатності ферментів, гормонів, вірусів виконувати свої функції тобто вони інактивуються.

У певних умовах, при видаленні денатуруючих агента або при повільному охолодженні розчину білка денатурованого нагріванням відбувається ренатівація - відновлення вихідної (нативної) конформації і специфічної біологічної функції білка.

Процес денатурації білків відіграє велику роль в технології харчових продуктів при їх тепловій обробці. Так втрата схожості і погіршення хлібопекарських властивостей, що відбувається внаслідок перегріву зерна при його неправильної сушці в зерносушарці, є наслідком денатурації білків. Процес глибокої денатурації відбувається при випічці хліба. Копчення м'яса при температурі (40-90єС) супроводжується часткової денатурацією білків і звільненням прихованих функціональних груп (- SH, - COOH, - NH _2, - OH ^-, = С = О і ін), які можуть вступати у взаємодію з летючими продуктами коптильних газів. У результаті всіх перерахованих процесів відбувається необоротна дегідратація, коагуляція частини білків, у зв'язку з чим зменшується вологоутримуючий здатність тканини, продукт краще зневоднюється і ущільнюється.

Бланшіровка плодів і овочів викликає денатурацію окисних ферментів - пероксидази, о-діфенолоксідази, аскарбінатоксідази і т.д. що веде до збереження вітаміну С і перешкоджає утворенню Темна сполук - меланінів. Теплова обробка харчових продуктів підвищує їх смакові якості і засвоюваність, оскільки денатуровані білки мають кращу атакується травними ферментами.

Білкова глобула має гідрофільністю. Водна оболонка білкової молекули виникає в результаті взаємодії гідрофільних груп білкової молекули з диполями води з утворенням водневих зв'язків. Так, пептидная угруповання притягує одну молекулу води, аміногрупа - NH ₂ - теж одну, карбоксильная група-СООН - чотири. Поблизу молекули білка відзначається впорядковане розташування молекул води. У міру віддалення від молекул білка розташування молекул води носить все більш безладний характер. Водна оболонка є одним з факторів стійкості білкових розчинів - перешкоджає злипанню молекул білка та їх осадження.

При контакті сухого білка з водою він набухає, молекули води проникають в білкову масу, гідратіруются молекули білка, роз'єднуючи їх. Важливу роль в цьому процесі відіграють не тільки електростатичні сили, а й сили осмосу. Подальше поглинання води призводить до розчинення білка.

При певних умовах білкові розчини утворюють колоїдні системи - гелі або холодці, в яких розчинник і білок утворюють одну зовні гомогенну масу. У гелях є гідратаційні вода, навколишнє товстим шаром колоїдні частинки білка, а так само вода, що утримується в капілярних просторах між ними. Висушений гель, поміщений у воду, вбирає її в дуже великих кількостях - набухає.

Гідрофільні властивості білків, тобто їх здатність утворювати студні, набухати має велике значення в біології і харчових виробництвах. Дуже рухомим холодцем, є цитоплазма - полужидкое вміст клітини, кришталик ока і т.д. Типовим білковим сільногідраторованним гелем є пшенична клейковина, вона містить близько 66% води. Гідрофільні, водоудерживающие властивості продуктів необхідно також враховувати при заморожуванні і розморожуванні м'яса, овочів, фруктів, що б зберегти, не погіршити їх якість. Гідрофільність білків зерна і борошна грає велику роль при зберіганні і переробці зерна (кондиціонування, проростання зерна) і хлібопеченні. Холодці використовуються в процесі приготування різних заливних страв.

Якщо у білкових глобул відняти гідратну оболонку, то частинки білка почнуть злипатися, утворюючи асоціації частинок білка, і осядуть. У ізоелектричної точці білки мають найменшої здатністю зв'язувати воду, тому їх легше осаджувати. Агрегація білкових молекул відбувається і при їх зневодненні з допомогою деяких органічних розчинників - наприклад спиртом і ацетоном. Молекули цих речовин, будучи більш гідрофільними, ніж молекули білка, утворюють власні гідрати з водою, відтягуючи воду від білка, позбавляючи їх водної оболонки сприяють агрегації білка.

Зневоднення білків можна проводити шляхом додавання нейтральних розчинів солей високої концентрації. Цей процес називають висолюванням. Осідають здатність солі залежить від розмірів катіона і аніона, а так само від величини їх заряду. Катіони і аніони по висалівающей здібності можна розташувати в ряди, в яких ця здатність зменшується.

Катіони: Cs ^+, Rb ^+, K ^+, Na ^+, Li ^+, Ba ^{2 +,} Sr ^{2 +,} Co ^{2 +,} Mg ^{2 +.}

Аніони: SO ₄ ^-2, CL ^-, Br, NO ₃ ^-, J ^-, CNS ^-, Mg ^{2 +.}

Ці ряди називаються ліотропний рядами. Висалівающее дія пояснюється тим, що при високій концентрації іонів в розчині білка, вони відтягують на себе від молекул білка поляризовані молекули води і тим самим позбавляють білок гідратної оболонки, яка перешкоджає осадженню білка. Метод висолювання використовується для розподілу і отримання в очищеному вигляді білків і ферментів.

При додаванні розчинів нейтральних солей (Na ₂ SO _4, (NH _{4) 2} SO _4, MgSO ₄ та ін) невеликих концентрацій, розчинність білків у воді зростає. Розчиненню білків, як і інших речовин, сприяють ті чинники, які зменшують взаємодія між молекулами розчиняється речовини. Нейтральні солі в малих концентраціях збільшують ступінь дисоціації іонізованих груп білкових молекул і тим самим зменшують білок-білкових взаємодій. Відомо, що ступінь дисоціації електролітів (у тому числі білків) прямо пропорційна діелектричної постійної розчинника, яка в свою чергу пропорційна ступеню поляризації молекул розчинника, їх дипольному моменту. Нейтральні солі в малих концентраціях ще більше збільшують діелектричну постійну води. В результаті вода підсилює дисоціацію розчиненої речовини, зокрема білка. Входячи між зарядженими групами і орієнтуючись навколо них, диполі води перешкоджають їх взаємодії.

Розчинність білків залежить також від рН розчинника, його складу, температури. Мінімальною розчинністю мають білки в ВЕТ, що пояснюється відсутністю електростатичного відштовхування між молекулами білка.

Білки здатні утворювати висококонцентровані системи рідко-газ-піни. В якості традиційних піноутворювачів використовують білки сироватки крові, молока, які піддають спочатку гідролізу, а потім сушать на розпилювальних сушках. Стійкість піни, в якій білок є піноутворювачем залежить від його природи, концентрації і температури.

Білки в якості піноутворювачів грають важливу роль при утворенні піни у пиві. У кондитерській промисловості це властивість білків використовується при виробленні пастили, зефіру, суфле. Структуру піни має хліб і це впливає на його органолептичні і структурно-механічні властивості.

Завдяки гідрофільним і гідрофобним угрупованням білки є поверхнево-активними речовинами і можуть впливати на розчинність інших речовин. Вони виступають у ролі емульгаторів - речовин, що стабілізують емульсію, яку утворюють взаімнонерастворімие рідини (вода-жир). В організмі людини в емульгованої стані знаходяться жири в крові та лімфі. Молоко являє собою емульговані казеіногеном крапельки жиру у воді. Білки в якості емульгаторів знаходять застосування в харчовій промисловості при виробництві майонезів, кондитерських виробів, кремів, шоколаду і т.п.

10. Виділення білків і встановлення їх однорідності

Виділення білків з біологічних тканин проводять після ретельного подрібнення досліджуваного матеріалу, аж до руйнування клітинної структури. Руйнують клітини механічним шляхом, розтираючи тканина з піском у ступці або в гомогенизаторе. Існують й інші методи, наприклад почергове заморожування і відтавання, обробка ультразвуком.

На всіх етапах виділення та очищення білків слід враховувати їх велику здатність до втрати природних, нативних властивостей, тобто до денатурації.

У більшості випадків процес руйнування клітин супроводжується виділенням тепла, тому з метою запобігання теплової денатурації всі операції слід проводити при знижених температурах (близько +4 ° С) в термостатированной холодних кімнатах.

Сучасні методи подрібнення тканин зазвичай поєднують з одночасною екстракцією білків з гомогенатов тканин. Як розчинники використовують 8-10% розчини солей, різні буферні розчини, органічні розчинники (спирт, ацетон і т.п.), а так само неіонні детергенти-речовини, що руйнують гідрофобні взаємодії між білками і ліпідами і між білковими молекулами.

Після досягнення повної екстракції білків, приступають до поділу-фракціонування суміші білків на індивідуальні білки. Для цього застосовують різні методи: висолювання, осадження органічними розчинниками, хроматографію, електрофорез.

При виділенні і очищенні білків використовують чотири основних види хроматографії: адсорбційну, розподільну, іонообмінну і аффинную (хроматографію по спорідненості). У адсорбційної хроматографії розділення компонентів суміші засноване на їх різної сорбіруємості на твердому адсорбенті. Як адсорбентів використовують активоване деревне вугілля, оксиди алюмінію або кремнію. Адсорбент у вигляді суспензії з розчинником (найчастіше буферним розчином) вносять в колонку і рівномірно утрамбовують. Досліджуваний зразок у невеликому обсязі розчинника вносять в колонку. Компоненти суміші, адсорбуються на адсорбенті. Потім приступають до десорбції компонентів з колонки, використовуючи відповідні елюента. Збір фракцій здійснюють за допомогою автоматичного колектора фракцій.

При розподільної хроматографії тверда фаза служить тільки опорою (основою) для стаціонарної рідкої фази. Різновидом розподільної хроматографії є хроматографія на папері. Як стаціонарної фази при цьому служить вода, адсорбована целюлозними ланцюгами фільтрувального паперу. Зразок наносять у вигляді краплі (плями) на одному кінці паперової смуги, цим же кінцем папір занурюють у відповідну суміш органічних розчинників (наприклад, бутанол, оцтова кислота, вода в певних співвідношеннях). При русі розчинника по паперу завдяки силі капілярності відбувається розділення компонентів суміші. Виявлену хроматограму висушують, а місце розташування кожного з поділюваних речовин визначають хімічними або фізико-хімічними методами.

У іонообмінної хроматографії в залежності від заряду поділюваних білків використовують відповідну іонообмінну смолу (катионит або аніоніт) з функціональними групами якою обмінюються і затримуються на колонці частина білків, у той час як інші білки безперешкодно елюіруются з колонки. Пов'язані з іонообмінної смолою білки, відокремлюють, застосовуючи більш концентровані сольові розчини або змінюючи рН елюента.

Афінна хроматографія заснована на принципі виборчого взаємодії білків (або інших молекул) з закріпленими на носії специфічними речовинами - лігандами, якими можуть бути субстрати або коферменти (якщо виділяється якийсь фермент) і т.д. Завдяки високій специфічності білків до іммобілізованих (закріпленому) ліганда, до нього приєднується тільки один який-небудь білок із суміші. Зняття з колонки цього білка здійснюється підібрані спеціально елюента.

У гель-хроматографії в якості стаціонарної фази використовують гель у вигляді крихітних гранул, так що таку стаціонарну фазу можна розглядати як молекулярні сита. Гранули гелю виготовлені з полімеру зі зшитою структурою, подібній ситу. В якості такого полімерного матеріалу використовуються або зшита агарози, або декстран (полісахарид), або зшитий поліакриламід. У водному середовищі полімерний матеріал сорбує воду і набухає, перетворюючись на гелеподобние гранули, що зберігають пористу структуру, причому розмір пор такого набряклого матеріалу визначається ступенем зшивання полімеру. Нанесені на колонку з'єднання (у вигляді розчину в рухливій фазі) починають взаємодіяти з гранулами гелю, проникаючи в обсяг гранул через пори, що уповільнює рух розчиненої речовини по колонці. Молекули невеликого розміру краще затримуватися на колонці, оскільки легше проникають в об'єм гранул і розподіляються там. Молекули з розмірами, більшими, ніж розміри пір, зовсім не будуть проникати всередину гранул, вони першими вимиваються з колонки.

Результати хроматографічного поділу представляються графічно у вигляді залежності вимірюваного властивості (поглинання в УФ області тощо) від обсягу елюату, що вийшов з колонки. Піки на такому графіку відповідають виходу індивідуальних білків. Якщо при поділі виходить тільки один пік, це вказує на чистоту вихідного препарату, нанесеного на колонку.

Властивість білків набувати певної величини заряд при даному значенні рН розчину знайшло широке застосування для їх розділення методом електрофорезу. Електрофорез заснований на пересуванні зарядженої частинки в електричному полі. Рух її відбувається в рідкому середовищі, яка утримується інертним твердим носієм, наприклад, смужкою паперу, гелевою плівкою з крохмалю, поліакриламіду, Декстрон і т.д.

При постійній напрузі рух зарядженої молекули білка визначається відношенням заряду до її розміру:

m = | (Q / r)

де Q-сумарний заряд білкової молекули;

r-радіус молекули.

Зі збільшенням цього відношення рухливість молекули зростає. Так як кожен білок має свою певну величину Q / r, швидкість переміщення різних білків в електричному полі буде різною. Електрофорез використовується для поділу білків та визначення їх молекулярних мас.

Застосування в певній послідовності вище перерахованих методів дозволяє отримати білок в очищеному стані, не позбавлений, однак, деяких домішок солей. Для повного очищення білків від низькомолекулярних домішок використовуються методи діалізу, кристалізації, гельхроматографіі та ультрафільтрації.

Чи є отриманий білковий препарат індивідуальним білком або сумішшю має важливе значення. Завжди можна очікувати, що у складі ізольованого білка є домішка інших білків, оскільки це може привести до неправильних висновків про властивості досліджуваного білка. Тому велика увага приділяється оцінці гомогенності - однорідності білків. Критерієм чистоти білків служать такі показники: отримання білка в кристалічному стані; подальша неразделяемость при електрофорезі і ультрацентріфугірованія; незалежність розчинності від кількості твердої фази; сталість амінокислотного складу; певний молекулярна вага; для багатьох білків - сталість специфічних біологічних властивостей (ферментативна активність, гормональна активність і т.д.)

11. Класифікація білків

Білки в залежності від хімічної будови ділять на прості і складні. Прості білки при гідролізі розпадаються тільки на амінокислоти. При гідролізі складних білків поряд з амінокислотами утворюється речовина небілкової природи - простетичної група. Класифікація простих білків заснована на їх розчинності.

Альбуміни - водорозчинні білки з високою гідрофільністю, випадають в осад при 100%-му насиченні сульфатом амонію. До цих білків відносяться білок курячого яйця, білки зародка насіння злакових і бобових культур. Альбумін пшениці називають лейкозін, гороху - легумелін. Альбуміни містять всі незамінні амінокислоти.

Глобуліни - розчиняються в сольових розчинах, найчастіше для отримання глобулінів використовують 2 -10%-ий розчин хлориду натрію. Вони осідають 50%-им розчином сульфату амонію. Білки насіння бобових і олійних культур в основному представлені глобулінами; легумін - гороху та сочевиці, фазеолін - квасолі; гліцин - соєвих бобів. Багато альбуміни і глобуліни володіють ферментативним дією.

Проламінів. Ця група білків характерна виключно для насіння злаків. Ці білки розчиняються в 60-80%-му розчині етилового спирту. Ці білки містять значні кількості проліну і глютамінової кислот. Лізину вони не містять або містять його в слідових кількостях. Добре вивчені проламінів пшениці - гліадин, ячменю - гордеін, кукурудзи - зеин. Проламінів - це комплекси білків розрізняються по складу і молекулярної маси.

Глютеліни знаходяться, як правило, з проламінів. Розчиняються вони в лугах (частіше 0,2%-им NaOH). Глютеліни не однорідні білки, а суміші різних білків з подібними властивостями. Найбільш досліджені глютелін пшениці, орезенін рису.

Глютенін і гліадин пшениці утворюють комплекс, який називають клейковиною. Клейковина борошна впливає на структурно-механічні властивості тіста, а, отже на якість хліба.

Протаміни - самі низькомолекулярні білки. Зустрічаються ці білка в молоці риб. На 2 / 3 ці білки складаються з аргініну, тому мають основний характер. Протаміни не містять сірки.

Гістони - міститися в хромосомах клітинних ядер, вони беруть участь у стабілізації просторової структури ДНК. Гістони на 20-30% складаються з основних амінокислот. З розчинів їх осаджують аміаком.

Протеноіди - підгрупа нерозчинних фібрилярних білків тваринного походження. До них відносяться фиброин - шовку, кератин - волосся, рогів, пір'я, сухожиль і зв'язок. Характерна особливість протеноідов - високий вміст в них сірки. Ці білки не гідролізуються травними ферментами.

Протеїди - складні білки, в яких білок пов'язаний з речовиною небілкової природи - простетичної групою. Залежно від хімічної природи простетичної групи їх ділять на ліпопротеїни, глікопротеїни, хромопротеіни, нуклеопротеїнів, фосфопротеінов, металопротеїни.

У липопротеинах простетичної група представлена ​​будь-яким ліпідом. Ці білки входять до складу клітинних мембран, беруть участь у структурній організації мієлінових оболонок, нервової тканини, хлоропластів і т.д., а так само присутні у вільному стані.

Глікопротеїни - як простетичної групи містять вуглеводний компонент. Це можуть бути глюкоза, монноз, N-ацетилглюкозамін, L-фукоза і т.д. Ці білки виконують специфічні функції: забезпечують клітинну адгезію, молекулярне і клітинне впізнавання, антигенну активність пухлинних клітин, надають захисну, гормональне, і антивірусну дію.

Типові представники глікопротеїнів - білки, що входять до складу слини, а також деяких рослинних слизів. Рослинні глікопротеїни називають ще лектинами. Деякі лектини надають антипоживних дію - вони порушують процеси всмоктування живильних речовин. Антипоживних дію лектинів квасолі твердо встановлено.

Хромомпротеіни - складаються з простого білка і пов'язаного з ним пофарбованого небілкового компонента. Серед хромопротеінов розрізняють гемопротеинов, що містять як простетичної групи залізо-або магнійпорфіріни; флавопротеїни - містять похідні ізоаллоксазіна. Хромопротеіни беруть участь в таких функціональних процесах життєдіяльності, як транспорт кисню і вуглекислого газу, фотосинтез, окислювально-відновні реакції, світло-і Кольоросприйняття і т.д. До групи хромопротеінов відносяться гемоглобін і його похідні, хлорофілсодержащіе білки, такі ферменти як каталаза і пероксидаза, сукцинатдегідрогеназа, всі білки цитохроми.

Нуклеопротеїнів - одна з найбільш важливих груп білків, що складається з простих білків пов'язаних з нуклеїновими кислотами. Ці білки відіграють першорядну роль у зберіганні і передачі генетичної інформації і біосинтезі білка і утримуватися в основному в ядрах клітин. Дезоксірібонуклеопротеіни містять дезоксирибонуклеїнову кислоту (ДНК). Рибонуклепротеіну містять рибонуклеїнової кислоту (РНК)

Фосфопротеінов - ці білки містять органічно пов'язаний, лабільний фосфат, абсолютно необхідний для виконання клітиною ряду біологічних функцій. Крім того, вони є цінним джерелом енергетичного і пластичного матеріалу в процесі росту і розвитку зародків і молодого зростаючого організму. Найбільш вивчені фосфопротеінов - казеїн молока, вителлин яєчного жовтка, іхтулін ікри риб. Металопротеїни поряд з білком містять іони будь-якого металу або декількох металів. Металопротеїни виконують різні функції. Наприклад, білок трансферин (містить залізо) служить фізіологічним переносником заліза в організмі. Інші металопротеїни є біологічними каталізаторами-ферментами - амілази (містять Са ^{2 +)} гідролізують крохмаль, карбоангідроза (Zn ^{2 +)} розщеплює вугільну кислоту, аскорбінотоксідаза (Cu ^{2 +)} руйнує вітамін С і т.д.

2. НУКЛЕЇНОВІ КИСЛОТИ

Нуклеїнові кислоти були відкриті в 1868р. швейцарським лікарем Ф. Мішер. Біологічна функція цієї речовини залишалася невідомою ще протягом майже століття, і лише в 40-х роках минулого століття Евері, Маклеод і Маккарті встановили, що нуклеїнові кислоти, відповідають за зберігання, реплікацію (відтворення), транскрипцію (передачу) і трансляцію (відтворення на білок) генетичної (спадкової) інформації. Коротше, саме нуклеїнові кислоти визначають вид, форму, хімічний склад і функції живої клітини і всього організму в цілому.

У 1953 р. Уотсон і Крик повідомили про розшифрування молекулярної структури ДНК. У кожному живому організмі присутні два типи нуклеїнових кислот: рибонуклеїнова кислота (РНК) і дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). У той же час віруси містять тільки один який-небудь тип нуклеїнових кислот: або РНК, або ДНК.

Нуклеїнові кислоти - це високомолекулярні сполуки, розмір яких сильно варіює. Молярна маса транспортної РНК становить 25000, тоді як окремі молекули ДНК мають масу від 1 000 000 до 1 000 000 000.

Кількісний вміст ДНК в клітинах одного і того ж організму постійно і обчислюється кількома пикограмм, однак у клітинах різних видів живих організмів є істотні кількісні відмінності у змісті ДНК. ДНК переважно зосереджена в ядрі, мітохондріях і хлоропластах. РНК здебільшого міститься в цитоплазмі клітин. Зміст РНК, як правило, в 5-10 разів більше, ніж ДНК. Співвідношення РНК / ДНК в клітинах тим вище, чим інтенсивніше в них синтез білка.

Нуклеїнові кислоти мають сильно вираженими кислотними властивостями і при фізіологічних значеннях рН несуть високий негативний заряд. У зв'язку з цим в клітинах організмів вони легко взаємодіють з різними катіонами і насамперед з основними білками, утворюючи нуклеопротеїнів.

1. Склад нуклеїнових кислот

Нуклеїнові кислоти при повному їх гідролізі розпадаються на три типи речовин - азотисті основи (пуринові і піримідинові підстави), цукру (пентози) і фосфорну кислоту.

Пентози нуклеїнових кислот представлені D-рибоза або 2-D-дезоксирибоза. Обидва ці цукру містяться у складі нуклеїнових кислот в фуранозной формі і мають b-конфігурацію:

Нуклеїнова кислота називається рибонуклеїнової (РНК), якщо до її складу входить рибоза, або дезоксирибонуклеїнової (ДНК), якщо до її складу входить дезоксирибоза. Нещодавно встановлено, що рибоза і дезоксирибоза не є єдиними вуглеводами, що входять до складу нуклеїнових кислот: у ряді фагових ДНК і РНК деяких видів ракових клітин знайдена глюкоза.

Азотисті основи, які зазвичай зустрічаються в нуклеїнових кислотах - це похідні пурину аденін (А) і гуанін (G)-і похідні піримідину - цитозин (С), тимін (Т) і урацил (U). Самі пурин і піримідин до складу нуклеїнових кислот не входять.

Будова основних азотистих основ-компонентів нуклеїнових кислот:

Цитозин, аденін, гуанін містяться в нуклеїнових кислотах обох типів, урацил входить лише до складу РНК, а тимін в ДНК.

Для гуаніну, цитозину, тиміну і урацилу відома кето-енольной таутомерія, проте кетоструктури набагато більш стабільні і домінують при фізіологічних умовах.

Таутомерія

У нуклеїнових кислотах все оксосодержащіе азотисті основи присутні в кетоформе.

У складі ДНК і РНК зустрічаються так звані незвичайні або «мінорні» азотисті основи. До них належать, наприклад, 5-метілцітозін, 4-тіоураціл, дігідроураціл та ін

5 - метілцітозін - тіоураціл дігідроураціл

(У ДНК) (в тРНК) (в тРНК)

Розглянуті пуринові і піримідинові підстави, а також деякі інші похідні пурину і піримідину, які не входять до складу нуклеїнових кислот, часто містяться в рослинах у значній кількості у вільному стані. Найбільш часто у вільному стані в рослинах зустрічаються гіпоксантин (6-гідроксіоксіпурін), знайдений в насінні гірчиці і люпину. Ксантин (2,6-дігідроксіоксіпурін) і аллонтоін дуже широко поширені в рослинах. У формі цих підстав, як і у формі амідів амінокислот, відбувається запасання і транспорт азоту в рослинах.

гіпоксантин ксантин алантоїн

Пурин і піримідинів поглинають електромагнітну енергію в ультрафіолетовому (УФ) діапазоні, причому кожне з'єднання має характеристичний спектр поглинання, проте для всіх цих сполук максимум поглинання спостерігається поблизу 260 нм. Нуклеїнові кислоти так само поглинають в УФ-області. На цій властивості засновані методи кількісного визначення нуклеїнових кислот.

У процесі обміну речовин у тварин і рослин пуринові основи утворюють такі продукти, як сечова кислота, кофеїн, теобромін, останні використовуються як ліки.

2. Нуклеозиди

Азотистих основ з приєднаним до нього вуглеводним залишком, називають нуклеозидом. У нуклеозиду ковалентний зв'язок утворена З ^1-атом цукру та N ¹ - атомом піримідину або N ⁹ - атомом пурину, такий зв'язок називається гликозидной. Що б уникнути плутанини в нумерації, атоми вуглеводної частини відрізняють штрихом. Для найбільш поширених нуклеозидів прийняті тривіальні назви: аденозин, гуанозин, уридин і цітідін. Дезоксірібонуклеозіди називаються дезоксіаденозін, дезоксигуанозину, дезоксіцітідін і тимідину.

Наприклад:

Піримідинові пуриновий

рибонуклеозид дезоксірібонуклеозід

Нуклеозиди є фрагментом структури нуклеотидів, а проте багато нуклеозиди зустрічаються у вільному стані. Деякі з них мають лікувальні властивості. Різні мікроорганізми виділяють арабінозілцітозін і арабінозіладенін, до складу яких входить b-D-арабиноза замість рибози. Ці речовини використовуються в якості потужних антивірусних і антигрибкових агентів і проти деяких видів раку. Механізм дії ara-А і ara-С заснований на інгібування біосинтезу ДНК.

3. Нуклеотиди

Нуклеотиди - це фосфорні ефіри нуклеозидів. В утворенні зв'язку бере участь 5 ^{1-вуглецевий} атом пентози. Залежно від будови пентози все нуклеотиди можна розділити на рибонуклеотиди і дезоксірібонуклеотіди.

Залежно від числа наявних залишків фосфорної кислоти розрізняють нуклеозідмонофосфати, нуклеозіддіфосфати і нуклеозідтріфосфати. Всі ці три види нуклеотидів постійно присутні в клітках.

Рисунок 3 - моно-, ди-і тріфосфонуклеотіди (5 ¹⁾ аденозину.

Назви окремих нуклеотидів часто позначають скорочено великими першими літерами назв відповідних підстав. Нижче наведені нуклеотиди, що входять до складу нуклеїнових кислот, і дано їх умовні скорочені позначення.

Таблиця 2 - Скорочені назви окремих нуклеотидів

Нуклеотиди - це сильні кислоти, так як залишок фосфорної кислоти, що входить до їх складу, сильно іонізований.

Головна функція нуклеотидів в клітці полягає в тому, що вони є складовими частинами нуклеїнових кислот.

Всі нуклеозіддіфосфати і нуклеозідтріфосфати містять високоенергетичні зв'язку (позначені значком «» »). При гідролізі цьому зв'язку звільняється від 30 до 50 кДж / моль енергії, у той час як при гідролізі звичайної складноефірний фосфатного зв'язку звільняється енергія рівна 8-12 кДж / моль.

Під впливом відповідних ферментів фосфатні групи містять високоенергетичні зв'язку, можуть бути перенесені на інші речовини. Таким чином енергія, накопичена в високоенергетичних з'єднаннях, може бути використана далі в обміні речовин. Наприклад: АДФ і АТФ беруть участь в біосинтезі білка. Урідінтріфосфат (U ТФ) і урідіндіфосфат (U ДФ) необхідні для дії ферментів, що каталізують перетворення і синтез цукрів (СДФ і СТФ) цітідіндіфосфат і цітідінтріфосфат беруть участь в біосинтезі фосфоліпідів.

Циклічні нуклеотиди були виділені в 1959р. Сазерлендом (лауреат Нобелівської премії 1971р.) При вивченні механізму дії деяких гормонів при регулюванні метаболізму вуглеводів. У циклічних нуклеотидах фосфорна кислота зв'язує два атоми кисню пентозного залишку в одному і тому ж нуклеотиді. Відомі три циклічних нуклеотиду - циклічний аденозинмонофосфат (з АМФ), циклічний гуанозинмонофосфат (з G МФ) і циклічний цітозінмонофосфат (з СМФ).

Ці нуклеотиди утворюються з відповідних нуклеозідтрі-фосфатів під дією ферментів аденілатциклази і гуанілатциклази. У біологічних процесах вони виступають в якості проміжного посредственніка регуляторного дії гормонів.

аденозин-3 ^/, 5 ^{/-цікломонофосфат} гуанозин-3 ^/, 5 ^{/-цікломонофосфат}

(3 ^/, 5 ^/ - сАМФ) (3 ^/, 5 ^/-с G МФ)

Фосфатні залишки можуть утворювати один з одним кислотні ангідриди. Тому у нуклеотидів є можливість зв'язуватися один з одним через фосфатні залишки. При цьому виникають динуклеотид з фосфоангідрідной структурою.

До цієї групи належать деякі кофактори ферментів - НАД ⁺ і НАДФ ⁺ (нікотінамідаденіндінуклеотід), ФАД (флавінаденіндінуклео-тідфосфат) і т. д.

НАД ⁺

4. Первинна структура нуклеїнових кислот

Нуклеїнові кислоти це полімери, що складаються з нуклеозідмонофосфатов, з'єднаних фосфодіефірнимі зв'язками. Оскільки фосфатна група бере участь в утворенні двох ефірних зв'язків з участю 3 ^/-і 5 ^{/-вуглецевих} атомів цукрових залишків двох сусідніх нуклеотидів цей зв'язок називають 3 ^/ - та 5 ^{/-фосфодіефірние} зв'язком.

Нижче зображені короткі структурні фрагменти ланцюгів РНК і ДНК, що дозволяють представити з'єднання окремих нуклеотидів у ланцюзі.

Рис. фрагмент РНК фрагмент ДНК

У полінуклеотіди є 5 ^{/-кінець} з вільною фосфатної групою і 3 ^{/-кінець} з вільною ОН-групою. Фосфатні групи в цих ланцюгах мають сильнокислотного властивостями. При рН ~ 7 ​​фосфатна група іонізована повністю, тому в природних умовах нуклеїнові кислоти існують у вигляді поліанінов (несуть безліч негативних зарядів).

Нуклеїнові кислоти відрізняються один від одного числом мононуклеотідних залишків в молекулі, нуклеотидним складом і порядком чергування нуклеітідних залишків, фактично підстав, оскільки пентозофосфатний частини у всіх мономерів однакові. Для короткого зображення первинної структури нуклеїнових кислот користуються однобуквеним символами нуклеозидів.

Тому первинна структура фрагменту РНК може бути представлена ​​таким записом UA Г ААСС ×××××××× Запис структури ДНК відрізняється приставкою «g» (дезокси-);

g (ТСАГТГ -)-ці два записи, крім символу «g» розрізняються ще тим, що в першій (РНК) не зустрічається символ Т (тимін), а в другій (ДНК) не зустрічається символ U (урацил).

Таким чином, полинуклеотид записується як послідовний набір конкретних нуклеотидних залишків від 5 ^/-кінця до 3 ^{/-кінця.}

5. Вторинна і третинна структури ДНК.

Нуклеотидний склад ДНК (незалежно від джерел її виділення) має загальні закономірності, які відомі як правила Чаргаффа (на ім'я вченого, який сформулював ці правила).

1. Число пуринових основ (А + G) дорівнює числу піримідинових основ (Т + С), тобто відношення пуринів до піримідину дорівнює одиниці.

2. Число залишків аденіну дорівнює кількості залишків тиміну, тобто ставлення аденіну до тимін дорівнює одиниці (А / Т = 1,0)

Ці кількісні співвідношення були підтверджені дослідженнями інших вчених і стали важливою передумовою при встановленні тривимірної структури ДНК і допомогли зрозуміти яким чином генетична інформація кодується в ДНК і передається від одного покоління до іншого.

Базуючись на даних рентгеноструктурного аналізу та правилах Чаргаффа Дж. Уотсон і Ф. Крик в 1953р. запропонували таку модель будови ДНК. Відповідно до цієї моделі, молекула ДНК складається з двох полінуклеотидних антипаралельних ланцюгів (5 ^/ ® 3 ^/) (3 ^/ ® 5 ^/) спірально право-закручених одна відносно іншої таким чином, що углеводнофосфатная ланцюг знаходиться зовні, а пуринові і піримідинові підстави всередині перпендикулярно центральній осі схема ДНК. Ці два ланцюги з'єднуються між собою водневими зв'язками, що виникають між пуриновими і піримідиновими підставами окремих нуклеотидів, утворюючи специфічні пари.

Тимін пов'язаний трьома водневими зв'язками з аденіном Т º А, цитозин двома водневими зв'язками з гуаніном G = С. Ці пари підстав називаються комплементарними парами підстав. Завдяки цьому нуклеотидних послідовність одного ланцюга повністю комплементарна послідовності інший.

Парні підстави можуть охоплювати мільйони підстав в ДНК. Це можливо тільки тоді, коли полярність обох ниток різна, тобто, коли нитки мають різне спрямування (різну орієнтацію). Крім того, обидві нитки повинні бути скручені навколо одна одної у вигляді подвійної спіралі. РНК не може утворювати через стерично перешкод, завдяки 2 ^/ - ОН груп рібозних залишків, подібну подвійну спіраль. Тому в РНК попарне з'єднання азотистих основ знаходять тільки в межах коротких ділянок однієї і тієї ж нитки, і структура в цілому менш регулярна, ніж для ДНК.

Рисунок 4 - Схема утворення водневих зв'язків між комплементарними азотистими підставами

Рисунок 5 - Схематичне зображення подвійної спіралі ДНК

Водневі зв'язки між парами підстав - не єдиний вид взаємодій, що стабілізують двухцепочечную структуру. Молекула ДНК - поліаніонні, і на її поверхні локалізовано безліч негативних зарядів, що забезпечує стабілізацію шляхом електростатичних взаємодій з неорганічними протиіонами, наприклад з Mg ^+2, або білками, що містять велику кількість позитивно заряджених бічних ланцюгів амінокислот - гистонами. Третій стабілізуючий фактор виникає завдяки гідрофобним взаємодіям між азотистими підставами, які покладені стопкою всередині спіралі. Між нитками по всій довжині ДНК лежать поглиблення - маленька і велика борозенки.

Так як обидві нитки утримуються разом завдяки Нековалентні взаємодії, то подвійну спіраль можна розділити нагріванням (денатурацією) на одиночні нитки (малюнок 5). При повільному охолодженні структура подвійної спіралі знову відновлюється. Денатурація ДНК відіграє важливу роль в генній інженерії. Залежно від рН середовища, іонної сили розчину, концентрації води і т.п. конфігурація подвійної спіралі може змінюватися. Методами рентгеноструктурного аналізу доведено існування більш десяти форм ДНК, які різняться кількістю пар основ припадають на один виток, кутом нахилу підстав до вертикальної осі. Найбільш вивчені А-, В-, С-і Т-форми ДНК. Припускають, що кожна форма ДНК пристосована для виконання певної біологічної функції. А-форма ДНК з передачею інформації від ДНК до РНК, В-форма - з біосинтезом ДНК і С-форма із зберіганням, пакуванням ДНК.

Рисунок 6 - поділ подвійної спіралі ДНК на одиночні нитки

В останні роки з'явилися дані про можливість існування левозакрученной біспіральні молекули ДНК-Z-форми й SBS форми ДНК, у якій полидезоксирибонуклеотидные ланцюга розташовуються пліч-о-пліч (драбинкою, без закручування). Така форма ДНК забезпечує легке розпарювання і розбіжність ланцюгів ДНК, що дуже важливо при біосинтезі ДНК.

ДНК має специфічну третинну структуру. Дволанцюжкова спіраль ДНК на отдльних ділянках може піддаватися подальшої укладанні в суперспіраль. Може набувати кільцеву форму, або згортатися в клубок. Суперскрученная структура забезпечує економну упаковку величезної молекули ДНК в хромосомі. Суперспирали з'єднуються з білками (гистонами), упакованими в борознах, забезпечуючи тим самим стабільність третинної структури ДНК.

6. Структура РНК

У клітинах будь-яких біологічних об'єктів міститися три основні види РНК: рибосомальная РНК (рРНК), транспортна РНК (тРНК) та інформаційна або матрична РНК (мРНК). Вони є одноланцюгових молекулами різної довжини, розрізняються по локалізації, властивостями, будову., Функціям. У більшості клітин вміст РНК в 5-10 разів перевищує вміст ДНК. Основна частина РНК клітини-70-80% припадає на частку рРНК, що міститься в рибосомах-внутрішньоклітинних частинках, які беруть участь в біосинтезі білка рРНК утворює каркас, до якого прикріплюються білки, утворюючи щільноупакованими рибонуклепротеіну. Нуклеотидний склад рРНК з різних джерел подібний.

Існування матричної або інформативної РНК (РНК-посередника передачі інформації від ДНК в белоксинтезирующий апарат клітини) було передбачене в 1957р., А виділена мРНК в 1962р. Зміст матричної РНК в клітині від 3% до 7% від загальної суми утримання РНК. Будова матричної РНК кілька специфічно. У її складі є інформативні ділянки, тобто працюють як матриці в процесі біосинтезу білка і неінформативні зони. Передбачається, що неінформативні ділянки є акцепторними при взаємодії матричної РНК з рибосомою або окремими білковими факторами.

На 5 ^/-кінці молекули РНК є ділянка, що містить мінорні нуклеотиди. Це частина так само неінформативна і називається «шапочка» чи «кеп». Припускають, що «кеп» захищає мРНК від руйнівної дії ферментів екзонуклеаз. На 3 ^/-кінці мРНК знаходиться ділянка, що містить від 50 до 400 залишків аденозинмонофосфату. Припускають, що поліаденіловий ділянку визначає час життя мРНК, а так само бере участь в процесі дозрівання і перенесення м РНК з ядра в цитоплазму.

Назва матричної РНК пов'язано з функцією, яку вона виконує. Вона служить матрицею, на якій синтезується поліпептидний ланцюг в рибосоме. Так само її називають інформаційною так як вона містить інформацію про те, які амінокислоти і в якій послідовності, розташовуються в білку. Ця інформація являє потрійний нуклеотид, який називається кодоном. Кожен послідовно приєднаний набір з трьох нуклеотидів (кодон) забезпечує інформацію для послідовного (упорядкованого) приєднання амінокислот при біосинтезі поліпептиду. Наприклад, АІА-ізолейцину, GAU-аспарагінової кислоти і т.д. Послідовність UUUAUAGAU (читається по три нуклеотида UUU - AUA - GAU) визначає фрагмент трипептид фен-им-асп. У клітинах синтезуються тисячі різних білків, тому існують тисячі матричних РНК за структурою своєї комплементарних окремих ділянках ДНК.

Зміст транспортної РНК 10% від загального вмісту РНК, це найменші за розміром молекули РНК. Транспортна РНК не пов'язана з клітинними структурами і знаходиться в клітці в розчиненому вигляді. Її функція полягає в перенесенні, транспорті амінокислот до місця білкового синтезу - в рибосоми. Кожна тРНК переносить певну амінокислоту. тРНК багаті мінорними нуклеотидами.

Молекули РНК, на відміну від молекул ДНК побудовані з однієї нуклеотидної ланцюга, однак у цьому ланцюзі є комплементарні один одному ділянки, які можуть взаємодіяти, утворюючи подвійні спіралі. При цьому з'єднуються наступні нуклеотидні пари: Аденін-урацил, Гуанін-цитозин. Такі спіраль ділянки (шпильки) зазвичай містять невелику кількість нуклеотидних пар і чергуються з неспареними ділянками. Характерну вторинну структуру має транспортна РНК. Вона має 4 спіраль ділянки, і на площині ця структура нагадує фігуру конюшини. Крім цього, є ділянка, що містить нуклеотид комплементарний кодону матричної РНК, він називається антикодоном. З його допомогою транспортна РНК прикріплюється до кодону матричної РНК. Є кінець, який містить залишок аденозинмонофосфату, до якого приєднується відповідна амінокислота. Третинна структура всіх транспортних РНК схожа. Це дозволяє всім їм взаємодіяти з рибосомою. Незначні відмінності в просторовій структурі дозволяє їм взаємодіяти зі специфічними ферментами тРНК синтезами, які беруть участь в біосинтезі білка. Третинна структура інших видів РНК поки точно не встановлена.

Рекомендовано література

1. Березів Т.Т., Коровкін Б.Ф. Біологічна хімія.-М.: Медицина, 1998.-704 с.

2. Пилипович Ю.Б. Основи біохіміі.-М.: ІзD-во «Ангар», 1999-512 с.

3. Жеребцов Н.А., Попова Т.М., Артюхов В.Г. Біохімія-Вороніж; Видавництво ВДУ, 2002-696 с.

4. Біохімія рослинної сировини. / Під. ред. В.Г. Щербакова.-М.: Колос, 1999.-376 с.

5. Ленинджер А. Біохімія .- М.: Мир, 1999 Т 1-3.

6. Основи біохімії / Под ред. А.А. Анісімова.-М.: Вища школа, 1986.-551 с.

7. Кретович В.Л. Біохімія рослин М.: Вища. школа, 1986.-503 с.

8. Хімія і біохімія амінокислот і поліпептидів. Методичні вказівки для студентів технологічних спеціальностей 49 01 01, 49 01 02, 91 01 01,48 1 лютого з дисциплін «Органічна хімія», «Біологческая хімія» та «Хімія природних волокнообразующих полімерів». МГУП, Могильов, 2003 - 43 с.