Биологическая химия

Биологическая химия – это наука, изучающая химический состав живых организмов, превращения веществ и энергии, лежащей в основе их жизнедеятельности. Совокупность этих превращений составляет биологический обмен веществ, который является основой той формы движения материи, которую мы называем жизнью.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 

Глава 1. Общий химический состав живых организмов

Глава 2. Белковые вещества 

2.1. Общая характеристика белков. 

2.2. Аминокислоты - структурные элементы белков. 

2.3. Строение и пространственная структура белковой  молекулы. 

2.4. Физико-химические свойства белков. 

2.5. Выделение белков из биологических объектов.

2.6. Номенклатура и классификация белков. 

Глава 3. Нуклеиновые кислоты 

3.1. Химический состав нуклеиновых кислот 

3.2. Структурные компоненты нуклеиновых кислот.

3.3. Строение и биологическая роль ДНК. 

3.4. Строение и биологическая роль РНК. 

3.5. Свободные нуклеотиды и их производные. 

Глава 4. Ферменты 

4.1. Общие понятия о ферментах. 

4.2. Химическая природа и строение ферментов. 

4.3. Механизм ферментативного катализа. 

4.4. Обратимость действия ферментов. 

4.5. Специфичность ферментов. 

4.6. Кинетика ферментативных реакций. 

4.7. Номенклатура и классификация ферментов. 

Глава 5. Общие понятия об обмене веществ и энергии

5.1. Определение потребности организма в энергии

Глава 6. Биологическое окисление 

6.1. Общая характеристика биологического окисления

6.2. Дыхательная цепь

6.3. Окислительное фосфорилирование

Глава 7. Обмен углеводов

7.1. Роль углеводов в питании

7.2. Переваривание и всасывание углеводов

7.3. Биосинтез углеводов

7.4. Распад углеводов в тканях

7.5. Анаэробный распад углеводов

7.6. Аэробное окисление углеводов

7.7. Пентозофосфатный путь окисления углеводов

7.8. Фотосинтез

Глава 8. Обмен липидов

8.1. Роль липидов в питании

8.2. Переваривание жиров в желудочно-кишечном тракте

8.3. Механизм окисления нейтрального жира в тканях

Глава 9. Обмен белков

9.1. Роль белков в питании

9.2. Распад белков в желудочно-кишечном тракте

9.3. Метаболизм белков и аминокислот в клетках

9.4. Обмен нуклеопротеинов

Глава 10. Взаимосвязь между обменами белков, жиров и углеводов

Глава 11.Водно-солевой обмен

Глава 12. Витамины

Глава 13. Гормоны

Глава 14. Биохимические основы рационального питания

Объекты живой природы состоят из «неживых» молекул, большинство из которых представляют собой органические соединения. Тем не менее, живые организмы обладают необычными свойствами, отсутствующими в скоплении неживых молекул. К ним относятся следующие свойства:

1.1 Сложность и высокая степень организованности. Живые организмы представлены миллионами разных видов.

1.2 Любая составная часть организма имеет специальное назначение и выполняется строго определенную функцию. Это относится даже к индивидуальным химическим соединениям (липиды, белки и т.п.).

1.3Способность извлекать, преобразовывать и использовать энергию окружающей их среды – либо в форме органических питательных веществ, либо в виде энергии солнечного излучения

Обмен веществ слагается из множества отдельных химических реакций, протекающих в живом организме и теснейшим образом связанных друг с другом. Данные экспериментальной биохимии свидетельствуют о взаимосвязи и неразрывности процесса поглощения и усвоения питательных веществ – ассимиляции и процесса их разложения и выделения – диссимиляции.

Сопряженность и взаимосвязь отдельных реакций, происходящих при ассимиляции и диссимиляции питательных веществ в организме, проявляется также в сопряженности превращений энергии, происходящих в течение всей жизни организма.

1.4 Способность к точному самовоспроизведению.

Цель биохимии состоит в том, чтобы понять, каким образом взаимодействия биомолекул друг с другом порождают описанные выше особенности живого состояния.

Большинство химических компонентов живых организмов представляют собой органические соединения, т.е. соединения углерода, в которых атомы углерода ковалентно связаны с другими атомами углерода, а также с атомами водорода, кислорода и азота. Однако все разнообразие органических молекул в живых организмах сводится к довольно простой картине. Все макромолекулы в клетке состоят из простых и небольших молекул нескольких типов, используемых в качестве строительных блоков, которые связываются в длинные цепи, содержащие от 50 до многих тысяч звеньев (ДНК построена из дезоксирибонуклеотидов, белки – из аминокислот).
2. Макромолекулы в живых организмах
В живых организмах широко представлены четыре типа соединений – полимеров, образующих макромолекулы, состоящие из повторяющихся единиц – мономеров. Это белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и липиды. Макромолекулы составляют около 90% сухого вещества клеток живых организмов.

Некоторые характеристики макромолекул белков, нуклеиновых кислот и полисахаридов представлены в таблице.
Характеристика биополимеров

Липиды не образуют полимеров, таких как полимеры белков, нуклеиновых кислот и полисахаридов. В природных условиях липиды способны образовывать крупные ассоциаты. 

Исходя из этих рассуждений, мы можем теперь сформулировать ряд принципов молекулярной логики живого:

Структура биологических макромолекул проста в своей основе.

Все живые организмы состоят из одних и тех же молекул, используемых как строительные блоки.

Идентичность организмов каждого вида сохраняется благодаря наличию свойственного только ему набора нуклеиновых кислот и белков.

Все биомолекулы выполняют в клетках специфические функции.

3. Разделы биохимии

Биохимию разделяют на:

3.1 Статическую, изучающую химический состав живой материи;

3.2 Динамическую, изучающую процессы обмена веществ в организме; 

3.3 Функциональную, изучающую процессы, лежащие в основе определенных проявлений жизнедеятельности.

Первая часть обычно именуется органической химией и излагается в специальном курсе, вторая и третья части являются собственно биохимией.

Различают биохимию: 

Биохимия растений изучает состав и превращение веществ в растениях и растительном сырье. Существуют также отраслевые биохимии: биохимия масличных растений и масличного сырья, биохимия молока, зерна, мяса, хлебных продуктов и т.д.

В отдельную отрасль вылилась ферментология – крупный раздел, изучающий свойства биологически активных веществ – ферментов.

4. История развития биохимии
Биохимия растений в России зародилась в 1814 году, когда академик К. С. Кирхгоф в Петербурге описал гидролиз крахмала под действием солодового экстракта, полученного из ячменя.

. Андрей Сергеевич Фаминцын (1838-1918) создал крупный труд «Обмен веществ и превращение энергии в растениях». А.М. Бутлеровспособствовал его опубликованию. Выдающимися учениками Фамицына А.С. была профессорДмитрий Иосифович Ивановский (1864-1920) иИван Парфеньевич Бородин (1847-1930). Ивановский Д.И. открыл фильтрующиеся вирусы. И.П. Бородин работал в области дыхания растений и участия белков в этом процессе.

Академик Алексей Николаевич Бах в 1921 году организует в Москве исследовательский институт здравоохранения (впоследствии НИИбиохимии) и очень много работал в области ферментологии. Он создал отрасль технической биохимии. АкадемикиВладимир Иванович Палладин и Сергей Павлович Костычев исследовали дыхание и брожение.

Климент Аркадьевич Тимирязев прославился классическими исследованиями в области изучения процесса усвоения углекислого газа зелеными растениями на свету (фотосинтез) и работами в области физики и химии хлорофилла. АкадемикДмитрий Николаевич Прянишников изучал превращения азота в почве и в растениях. Сергей Павлович Костычев и Владимир Степанович Буткевич организовали микробиологическое получение лимонной кислоты. А.Л. Курсановсоздал в России производство чая, основанное на знании биохимических превращений, происходящих в чайном листе. АкадемикАлександр Иванович Опарин организовал школу биохимиков в области превращения растительного сырья. Он первый создал рационально обоснованное виноделие. Научное обоснование хлебопечению дал Вацлав Леонович Кретович, ферментации табака – Александр Иванович Смирнов. Витамины были открыты Николаем Ивановичем Луниным в 1881 году. В ЛенинградеН.Н. Иванов изучал биохимию культурных растений, там же в области биохимии растительного сырья работал М.И. Княгиничев.В.В. Виноградский изучал обмен веществ у микроорганизмов. М.В. Ненцкий – один из основоположников отечественной биохимии, занимался превращением веществ в зеленых растениях. Михаил Семенович Цвет (1872-1919) разделил пигмент хлорофилл на отдельные компоненты.


В 1828 году Ф. Велер впервые синтезировал органическое вещество – мочевину из неорганических соединений. Во второй половине XIX века была определена структура аминокислот, углеводов и жиров и установлена природа пептидной связи в белках. ИсследованиямиЮ. Либиха, Л. Пастера, Э. Бухнера были получены первые сведения о химических превращениях белков, жиров и углеводов в живых организмах, также было положено начало изучению химизма брожения.

В результате работ О. Варбурга, Г. Эмдена, О. Мейергофа и Х. Кребса были установлены механизмы основных этапов процессов брожения и биологического окисления – был описан цикл Кребса. Д. Самнер в 1926 году экспериментально доказал белковую природу ферментов.

В 1943 году Ф. Липман открыл кофермент А и выявил его важную роль в синтезе жиров. А. Ленинджер в 1949 году показал, что окислительное фосфорилирование, обеспечивающее живые организмы энергией, идет в митохондриях. В 1953 году Д. Уотсон и Ф. Крик доказали, что дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) состоит из двух нитей, а К. Ниренберг в 1963 году расшифровал первый генетический код ДНК и показал взаимосвязь между структурой ДНК организма и составом слагающих этот организм белков.

5. Общая характеристика веществ, входящих в состав организмов

Все организмы состоят из органов (у растений – листья, корни, стебли). Все органы в свою очередь состоят из тканей (покровные, мышечные и т.п.). Все ткани состоят из клеток. В клетках различают:

2. Протопласт – живое содержимое клетки. В его состав входят:

Вакуоли заполнены клеточным соком. В его состав входит до 98% воды и до 2% сухого вещества. В основном это аминокислоты, сахара, органические кислоты, минеральные элементы, алкалоиды и др.
2.1. Углеводы – это соединения, состоящие из углерода, водорода и кислорода.

Суточная потребность человека в углеводах ≈ 500 г. Свойства их оказывают влияние как на выбор технологических режимов, так и на качество готовой продукции.

2.2. Белки. Суточная потребность в белке – около 100 граммов. Они являются сырьем для мясной, витаминной, фармацевтической, консервной и других видов пищевой промышленности.

Кроме питательной ценности (число калорий, которые получает организм при гидролизе питательных веществ), они обладают биологической ценностью (содержание в них незаменимых аминокислот и их усвояемость).

2.3. Липиды. В класс этих соединений входят жиры (триглицериды) и жироподобные вещества (воски, фосфатиды, жирорастворимые пигменты, стероиды). Суточная потребность в жирах – 50-75 г. Они являются сырьем для жироперерабатывающей, парфюмерной, витаминной, консервной и других видов промышленности. В организме жиры являются энергетическим запасом (т.к. мало окислены), структурными компонентами (белково-липидные комплексы – это структурные единицы клетки), биологически активными веществами (витамины группы F – это непредельные жирные кислоты).

Организация объединенных наций (ООН) предложила ряд международных программ. Первая из них – программа снабжения человечества пищей. Это может быть достигнуто прежде всего интенсивным путем. Поэтому основными задачами биохимии являются:

7. Химический состав растительного сырья
7.1 Элементарный состав

Химический состав организмов существенно отличается от химического состава неживой природы. В состав живых организмов входят 4-е основных элемента: углерод – 50-60%; водород – 3-4%; кислород – 25-30%; азот – 8-10%.

На долю этих 4 элементов приходится 99% химического состава органических веществ, а 1% - на другие элементы. Распределение химических элементов в неживой природе (земной коре) – другое: на долю трех элементов (С, Н, N) приходится около 1%.

Все органические вещества, входящие в состав живых организмов, т.е. белки, жиры, углеводы и др., содержат атом углерода. Атом углерода четырехвалентен и способен соединяться с другими элементами ковалентной связью с образованием различных органических веществ.

В составе живых организмов органические соединения с тройной связью практически отсутствуют. Ковалентно связанные атомы углерода способны образовывать множество разнообразных структур, которые лежат в основе скелетов многочисленных органических биомолекул. К таким углеродным скелетам могут присоединяться другие атомные группы.



Производные органических веществ в своем составе могут иметь различные функциональные группы, которые образуются за счет замены атомов водорода (см. табл.). 

                                                                                                                                               Таблица

ОН

│ 

Фосфатная – R — О— Р — ОН и некоторые другие

║

О
Большинство биомолекул содержит несколько функциональных групп, поэтому являются полифункциональными:

Макромолекулы построены из небольших биомолекул, которые включаются в большом количестве.


7.3.1 По способу синтеза органических веществ и по виду используемой материи все живые организмы делятся на две основные группы:

- автотрофные – способные синтезировать органические соединения из СО₂, Н₂О, N₂, NН₃, Н₂S, Н₃РО₄ и др.;

- гетеротрофные – не могут синтезировать органические вещества, а потребляют их в готовом виде. К ним относятся животные организмы.

7.3.2 По виду используемой энергии:

- фототрофы – используют энергию света (солнечный свет);

- хемотрофы – используют энергию химических связей материи из окружающей среды.

7.3.3 По отношению к атмосферному кислороду:

- аэробы – используют кислород атмосферы и гибнут при его отсутствии;

- анаэробы факультативные – используют кислород, но не гибнут при его отсутствии;

- анаэробы облигатные – для которых кислород является ядом.

Растительные и животные организмы значительно отличаются по химическому составу и, прежде всего, по содержанию белков и углеводов. Растения содержат до 1/3 белков и 2/3 углеводов, животные организмы на 2/3 состоят из белков.


Является наиболее широко распространенным веществом в живой природе.

В большинстве организмов ее весовое содержание составляет 70% и более, причем в растительных организмах воды больше, чем в животных. Кроме этого, вода была средой, в которой зародилась жизнь. Вода заполняет составные части живой клетки и представляет собой среду, в которой осуществляется транспорт питательных веществ, катализируемые ферментами метаболические реакции и перенос химической энергии. Поэтому все структурные элементы живых клеток и их функции должны быть приспособлены в отношении физических и химических свойств воды. С содержанием воды связан процесс старения: при старении уменьшается способность удерживать влагу.

По сравнению с большинством других жидкостей вода имеет высокую температуру плавления, кипения и теплоту испарения, что свидетельствует о сильном притяжении между соседними молекулами. Это объясняется тем, что каждый из двух атомов водорода объединяет свой электрон с одним из электронов атома кислорода. Две образующиеся электронные пары обусловливают V-образную форму молекул воды. Так как у кислорода есть еще две неподеленные электронные пары, он несет частичный отрицательный заряд. Более электроотрицательный атом кислорода стремится притянуть электроны атомов водорода. Поэтому на них локализуются частичные положительные заряды:

Хотя молекула воды в целом электронейтральна, ее частичные отрицательный и положительный заряды пространственно разделены, что приводит к возникновению у нее электрического дипольного момента, т.е. две соединенные молекулы воды могут притягиваться друг к другу за счет сил электростатического взаимодействия между частичными положительными и отрицательными зарядами. Такой тип электростатического притяжения называется водородной связью.

Водородные связи слабее ковалентных, но благодаря своей многочисленности они обеспечивают высокую устойчивость жидкой воды.

Водородные связи характерны не только для воды. Они легко образуются между любым электроотрицательным атомом (обычно кислород или азот) и атомом водорода, ковалентно связанным с другим электроотрицательным атомом в той же или другой молекуле. Например:

За счет свойств, описанных выше, вода является значительно лучшим растворителем, чем большинство других жидкостей. 

Кристаллические соли (NaCl) хорошо растворимы в воде, но почти не растворимы в неполярных жидкостях. Это обусловлено биполярным характером молекулы воды.

Второй класс веществ, растворимый в воде – это нейтральные органические соединения, содержащие полярные функциональные группы: спирты, альдегиды, кетоны. Растворение происходит за счет образования водородных связей между молекулами воды и полярными функциональными группами.

Существуют также вещества, диспергируемые водой. К ним относятся полярные соединения (например, мыла). Это происходит за счет образования агрегатов – мицелл, в которых гидрофильные отрицательно заряженные карбоксильные группы обращены к водной фазе и взаимодействуют с молекулами воды, а гидрофобные неполярные углеводородные цепи спрятаны внутри структуры.

Живые организмы успешно приспособились к водной среде и приобрели способность использовать необычные свойства воды. За счет высокой теплоемкости она действует в клетках как «тепловой буфер», поддерживающий в организме относительно постоянную температуру. Высокая теплота испарения воды используется для защиты организма от перегревания (путем испарения пота у некоторых позвоночных). Сильное сцепление молекул в жидкой воде обеспечивает эффективный перенос в растениях растворенных питательных веществ от корней к листьям. Кроме этого, важные биологические свойства макромолекул (белки, нуклеиновые кислоты) обусловлены их взаимодействием с молекулами воды в окружающей среде.

Чистая вода, контактирующая с чистым воздухом, имеет рН около 5,6 (Н⁺ и НСО^-₃ при взаимодействии СО₂ с Н₂О), Суточная потребность воды составляет 2-2,6 л (в том числе: вода пищи – около 1 л). Вода в живых организмах представлена в нескольких видах: 

- свободная влага – имеет механическую форму связи (удаляется при высушивании);

- связанная влага – химическим путем связана с органическими соединениями (механическим путем не отделяется).

Определение общего содержания воды называется определением влажности.

В В Е Д Е Н И Е

Биологическая химия (биохимия)  это наука о природе и свойствах веществ, входящих в состав живых организмов, путях биосинтеза и использования этих веществ различными организмами в процессе жизнедеятельности.

Как самостоятельная научная дисциплина и как отдельный предмет преподавания биохимия сложилась в середине ХIХ века на основе органической химии и физиологии, изучавшими с различных сторон вопросы химии жизни. Термин биохимия был введен К.Нейбергом в 1903 г.

В учебных целях биохимию принято делить на с т а т и ч е с к у ю и д и н а м и ч е с к у ю. Статическая биохимия изучает количественные соотношения, природу и свойства веществ, образующих живой организм. Этот раздел биохимии в значительной мере базируется на материале органической химии. Динамическая биохимия изучает все химические превращения вещества, происходящие в процессе жизнедеятельности организмов, и сопровождающие эти превращения изменения энергии. Статическая и динамическая биохимии тесно связаны между собой  нельзя понять биохимические процессы, идущие в живом организме, не зная его состава и химической природы образующих его веществ.

В зависимости от объекта или направления его исследования различают биохимию человека, биохимию животных, биохимию растений, биохимию микроорганизмов, техническую биохимию, радиационную биохимию и т. п.

Биохимия дает знания необходимые для решения многих задач в биологии, медицине, сельском хозяйстве, промышленности микробиологического синтеза, вопросах охраны окружающей среды, пищевой промышленности.

Существующая ныне теория “сбалансированного” пищевого рациона основана на исследованиях биохимии и физиологии роли белков, жиров, углеводов, витаминов, минеральных веществ в обмене у здорового человека в различных условиях труда и быта.



Биомасса единовременно живущих на Земле организмов составляет в пересчете на сухое вещество 1,82,4·10¹²т. Эти организмы ежегодно продуцируют около 10¹¹т сухого вещества. 

Из общего числа известных химических элементов в организмах, составляющих биомассу Земли, обнаружено около 60; однако не все, входящие в это число химические элементы обязательно требуются каждому виду организмов.

По количественному содержанию все, встречающиеся в живом организме химические элементы делят на три группы: макроэлементы, массовая доля их в живом веществе превышает 10^3% (C, O, N,H, P, S, Ca,

Mg,K,Na,Cl,Fe), микроэлементы, массовая доля которых колеблется от 10^3 % до 10^6 % (Mn,Zn,Cu,B,Mo,Co и др.) и ультраэлементы, массовая доля которых не превышает 10^6 % (Hg,Au,U,Ra и др.) Из макроэлементов в живом веществе в наибольшем количестве содержатся C, O, N,H,P,S и Ca.

Многочисленные химические элементы, образующие живое вещество, присутствуют в нем в виде различных органических и неорганических соединений.

Органические соединения живого представлены молекулами белков, нуклеиновых кислот, липидов, углеводов, витаминов, гормонов, органических кислот и многими другими. Массовая доля органических соединений составляет: в животных организмах  25 30%, в семенах растений  80  90%, в стеблях, листьях, плодах, овощах, фруктах  5 25%.

Вода  один из широко распространенных компонентов живого. На долю ее в организме теплокровных животных приходится 65  70%, в растениях (листья, стебли, плоды, овощи, клубни, корни)  75  95%, в покоящихся семенах растений  5  15%. Вода играет огромную роль в создании условий для жизнедеятельности. Она основной участник всех физикохимических процессов организма, обеспечивающих функцио-нирование и возобновление живого.

Минеральные вещества в животных и растительных организмах могут быть в свободном ( в виде ионов) и связанном состоянии. Массовая доля минеральных веществ составляет: в животном организме до 10%, в семенах растений  25%, в стеблях, плодах, овощах, фруктах  0,3  1%.

Наиболее разнообразными химическими компонентами живого являются различные по составу и сложности строения молекулы органических веществ, Причем более простые органические молекулы, называемые строителььными блоками (биомолекулами), связываясь ковалентно друг с другом, образуют более сложные органические соединения  макромолекулы. Каждый вид макромолекул имеет характерные для него строительные блоки. Макромолекулы с помощью относительно слабых межмолекулярных связей объединяются в надмолекулярные комплексы (ансамбли), которые объединяются в органеллы. В конечном итоге формируется главная единица живого  клетка. Таким образом в молекулярной организации клеток существует структурная иерархия (рис. 1.1). Переход от простых биомолекул к более сложным субклеточным структурам происходит скачкообразно.

КЛЕТКА. 

Клетки  это структурные и функциональные единицы живых организмов. Диаметр клеток колеблется в пределах от 12 мкм у бактерий, до 20  30 мкм у животных. Такие размеры клеток определяются следующими условиями: минимальным числом необходимых для жизнедеятельности молекул; фиксированной величиной этих молекул, задаваемой размерами входящих в их состав атомов углерода, кислорода, водорода и азота; скоростью диффузии молекул, растворенных в водной среде клетки. 

Клетка представляет собой самовоспроизводящуюся химическую систему. Стабильность этой системы обеспечена тем, что она физически отделена от своего окружения, обладает способностью поглощать из окружения требующиеся ей вещества и выводить наружу конечные продукты обмена. Роль барьера между данной химической системой и ее окружением выполняет плазматическая мембрана.

Отдельные биохимические реакции, протекающие в живых клетках локализованы в компартментах (“отсеках”). Например, синтез белка про-исходит в рибосомах, фотосинтез - в хлоропластах, получение энергии в легко используемой форме - в митохондриях. Вследствие компартментализации - пространственного разделения - биохимические реакции, зачастую противоположного характера, идут в клетке одновременно, не мешая друг другу.

Клетки живых организмов чрезвычайно разнообразны по структуре и химическим основам функционирования. Чтобы не рассматривать структуры и химическую основу всего многообразия клеток, ввели понятие “обобщенная клетка”, т.е. содержащая набор стуктур, обязательных для обмена веществ и энергии и самовоспроизводства. Идентифицировать одни клеточные структуры можно с помощью светового микроскопа при максимальном увеличении в 1500 раз, другие, более мелкие - при помощи электронного микроскопа.

Все клеточные структуры с позиции морфологии называют субклеточными, а с позиции химии - надмолекулярными. Четко очерченные структуры клеток называют органеллами (маленькими органами). Из известных клеточных структур одни имеются как в животных, так и в растительных клетках, другие - только в клетках растений.

На рис. 1.2 показаны схема и структуры, общие для животных и растительных клеток.

К л е т о ч н а я (п л а з м а т и ч е с к а я ) мембрана (1) состоит из двух слоев белка, между которыми расположены два слоя ориентированных амфипатических молекул липидов (бислой). Она отделяет клеточное содержимое от внешней среды, регулирует обмен между клеткой и средой, делит внутреннее пространство клетки на отсеки (компартменты), предназначенные для конкретных химических процессов.

Рис.1. 2. Строение клетки

На мембране располагаются участки, улавливающие внешние стимулы (гормоны или другие химические вещества) и позволяющие клетке приспособиться к внешней среде, а также поддерживать связь с другими клетками.

Ц и т о п л а з м а (2) состоит из водянистого основного вещества и находящихся в нем разнообразных клеточных сруктур и различных включений (нерастворимые отходы обмена, запасные вещества). Жидкую часть цитоплазмы, заполняющую пространство между клеточными структурами, называют ц и т о з о л е м. Химическую основу цитозоля составляет вода с растворенными в ней солями, сахарами, аминокислотами, жирными кислотами, нуклеотидами, белками и рибонуклеиновыми кислотами (РНК). В цитозоле происходят некоторые химические процессы (гликолиз, синтез жирных кислот, нуклеатидов и некоторых аминокислот).

Я д р о (3) - крупная органелла, заключенная в оболочку из двух мембран, пронизанную порами. Ядро содержит хроматин, ядрышко и нуклеоплазму. Нуклеоплазма (ядерный сок) - это гелеобразная структура, в которой располагаются хроматин и одно или несколько ядрышек. Основу хроматина составляет комплекс дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) с белками. В ДНК хранится генетическая информация. В ядрышке происходит синтез рибосомной РНК и начинается сборка рибосом. Завершается эта сборка в цитоплазме. В ядрышке имеется хроматин.

Э н д о п л а з м а т и ч е с к и й р е т и к у л у м сокращенно ЭР (4), представляет обширную систему уплощенных мембранных мешочков - цистерн - в виде трубочек и пластинок. Образует единое целое с наружной мембраной ядерной оболочки (наружная мембрана ядерной оболочки непосредственно переходит в ЭР). Если цистерны ЭР покрыты рибосомами его называют ш е р о х о в а т ы м, если рибосомы отсутсвуют, то его называют г л а д к и м. По цистернам шероховатого ЭР транспортируются белки, синтезированные рибосомами на его поверхности. Гладкий ЭР служит местом синтеза липидов и стероидов.

А п п а р а т Г о л ь д ж и (5) представляет собой стопку уплощенных мембранных мешочков - цистерн - и связанную с ними систему пузырьков. На одном конце стопки мешочки непрерывно образуются - на другом отшнуровываются в виде пузырьков (пузырьки Гольджи). Многие клеточные продукты, например белки, поступают в аппарат Гольджи из эндоплазмического ретикулума, претерпевают в его цистернах модификацию (видоизменение) и в пузырьках транспортируются к нужному месту той же клетки, например в лизосомы или к плазматической мембране. Аппарат Гольджи участвует в выведении веществ из клетки наружу (секреции) и в образовании лизосом.

Л и з о с о м ы (6) - это простые сферической формы мембранные мешочки заполненные, в основном, гидролитическими ферментами. Содержимое лизосом имеет кислую реакцию. Стенка мешочка состоит из одинарной мембраны.

Лизосомы участвуют в переваривании поступившего в клетку извне материала и отслуживших свой срок клеточных сруктур, а также в саморазрушении клетки (автолизе), наступающем в результате высвобождения их содержимого.

Р и б о с о м ы (7) служат местом синтеза белка, представляют собой мелкие округлой формы органеллы, состоящие из двух субчастиц - большой и малой. Эти органеллы связаны с эндоплазматическим ретикулумом, а также свободно лежат в цитоплазме; обнаруживают их в митохондриях, ядре, хлоропластах (органеллы растений). Число рибосом в клетках бактерий достигает до 10 000; в клетках животных и растений - в несколько раз больше. Рибосомы состоят из примерно равных (по массе) количеств РНК и белка.

М и т о х о н д р и и (8) - это органеллы клеток, имеющие различную форму и размеры. Митохондрии могут быть спиральными, округлыми вытянутыми, чашевидными. Длина митохондрии колеблется в пределах 1,5 - 10 мкм, а ширина - в пределах 0,25 - 1 мкм. Число митохондрий в клетке может колебаться от нескольких десятков до нескольких тысяч. Митохондрия окружена оболочкой, состоящей из двух мембран. Наружная мембрана гладкая, а внутренняя образует многочисленные гребневидные складки - кристы, направленные во внутреннюю полость митохондрии. Эта полость заполнена гелеобразной массой, называемой м а т р и к с о м. В матриксе находятся рибосомы, молекула ДНК и фосфатные гранулы. В кристах происходит синтез аденозинтрофосфата (АТФ) - универсального источника энергии для организма; в матриксе работают ферменты, участвующие в цикле Кребса и в окислении жирных кислот .

М и к р о т е л ь ц а (9) - это не совсем правильной сферической формы органеллы, окруженные одинарной мембраной. Все микротельца содержат каталазу - фермент, катализирующий расщепление пероксида водорода. У растений в микротельцах протекает глиоксилатный цикл.

В растительных клетках наряду с органеллами, обнаруживаемыми в клетках животных, имеются и свои особые структуры.

К л е т о ч н а я с т е н к а - это окружающая клетку жесткая структура, расположенная снаружи клеточной мембраны. Она обеспечивает клетке механическую опору и защиту. Химическую основу клеточной стенки составляют полисахариды - целлюлоза, пектиновые вещества, гемицеллюлозы. В клеточной стенке имеются поры, выстланные клеточной мембраной. По клеточной стенке происходит передвижение воды и минеральных солей.

Х л о р о п л а с т представляет собой крупную, содержащую хлорофилл пластиду (органеллу растительной клетки), в которой протекает фотосинтез. На рис. 1.3 показана схема хлоропласта. Хлоропласт окружен оболочкой из двойной мембраны (1) и заполнен студенистой массой - с т р о м о й (2). В строме находится система мембран, собранных в стопки, или граны (3). Кроме того строма содержит рибосомы, молеклу ДНК и капельки масла; в ней может откладываться крахмал.

ис.1.3. Хлоропласт

К р у п н а я ц е н т р а л ь н а я в а к у о л ь - это мешок, образованный одинарной мембраной, называемой т о н о п л а с т о м. Вакуоль заполнена клеточным соком - представляющим концентрированный раствор различных веществ (минеральные соли, сахара, пигменты, органические кислоты, ферменты и другие соединения.

2.1. Общая характеристика белков

Белки, или протеины (греч. протос - первый, важнейший, главный) -высокомолекулярные органические полимеры, построенные из остатков  -аминокислот. Массовая доля белков в пересчете на сухое вещество в среднем составляет в организме животных 40 - 50%, в семенах растений - 10 - 35 %. 

Независимо от источников получения белки содержат при пересчете на сухое вещество (в %) углерода 50-55, кислорода 21-24, азота 15-18, водорода 6,5 - 7,3, серы 0,3 - 2,5 , фосфора 0 -2, золы 0 - 0,5.

Б е л к и - важнейшие вещества, входящие в состав живых систем. Они обладают многими свойствами и функциями, отсутствующими у других органических соединений.

С т р о и т е л ь н а я (с т р у к т у р н а я) ф у н к ц и я. Белки образуют основу цитоплазмы любой живой клетки, с липидами создают структуру всех клеточных мембран и органелл.

К а т а л и т и ч е с к а я ф у н к ц и я. Все катализаторы биохимических реакций, называемые ферментами, по своей химической природе являются белками. Эта функция белков является уникальной, не свойственной другим полимерным соединениям.

Д в и г а т е л ь н а я ф у н к ц и я. Любые формы движения в живой природе (сокращение и расслабление мышц, движение ресничек и жгутиков у простейших, движение протоплазмы в клетке и т.д.) осуществляется белковыми веществами клеток.

Т р а н с п о р т н а я ф у н к ц и я. В крови имеются белки, которые могут связывать и переносить определенные молекулы или ионы из одного органа в другой. В клеточных мембранах присутствует тип белков, способных связывать многие вещества и переносить их через мемрану.

З а щ и т н а я ф у н к ц и я. Многие белки защищают организм от вторжения других организмов или предохраняют его от повреждений. Антитела, образующиеся в организме - это специфические белки, обладающие способностью распозанавать проникшие в организм бактерии, чужеродные белки, токсины, а затем обезвреживать их. Белки, участвующие в процессе свертывания крови, предохраняют организм от потери крови при повреждении кровеносных сосудов. Токсические белки (змеиные яды, токсины бактерий, токсичные белки растений), по-видимому, также выполняют защитные функции.

Р е г у л я т о р н а я ф у н к ц и я. Некоторые белки участвуют в регуляции обмена веществ в организме. Одни из регуляторных белков вырабатываются железами внутренней секреции животных и носят название гормонов. Каждый из белков-гормонов регулирует какую-либо из сторон обмена веществ, например, обмен глюкозы, транспорт ионов кальция и фосфора. Другие регуляторные белки, называемые репрессорами, регулируют биосинтез ферментов в бактериальных клетках. К регуляторным белкам можно отнести белковые ингибиторы ферментов.

З а п а с н а я (п и щ е в а я) ф у н к ц и я. Семена многих растений образуют запасы белков, потребляемые как питательные вещества на первых стадиях развития зародыша. Пищевые белки имеются в яйце птиц, молоке и т.д.

Перечисленные функции белков не охватывают все их многообразие. Можно указать и на другие функции белков, в частности, участие их в размножении, поддержании онкотического давления, реакциях “узнавания”, поведенческих реакциях человека и животных.

Белки - это органические соединения, в состав которых входит азот. Массовая доля азота в белке зависит от вида биологического объекта и составляет в белках животных тканей 16 %, молока (казеин) - 15,65%, зерна пшеницы, ржи, ячменя, овса - 17,54%, зерна кукурузы и грчихи - 16,67%. По содержанию азота (определяемому, как правило, методом Кьельдаля) высчитывают массовую долю белка в биологических объектах и продуктах, используя коэффициенты пересчета. 

Аминокислоты, входящие в состав белков, называют с т а н д а р т н ы м и, о с н о в н ы м и или н о р м а л ь н ы м и. Каждая из них имеет тривиальное (традиционное) название и трехбуквенное условное обозначение (см. классификацию аминокислот). Все стандартные аминокислоты, кроме глицина, содержат а с и м м е т р и ч н ы й атом углерода в -положении (атом углерода, с которым связаны четыре разные замещающие группы) и, следовательно, оптически активны. Они способны вращать плоскость поляризованного луча в разные стороны, существовать в виде пары энантиомеров - D и L (молекул, имеющих несовместимые друг с другом зеркальные изображения). 

В состав белков входят только аминокислоты L - ряда. При гидролизе белков в мягких условиях аминокислоты сохраняют свою оптическую активность. Аминокислоты, присутствующие в организме животных и растений в свободном виде также принадлежат к L - ряду. D-аминокислоты встречаются в природе очень редко и обнаружены в составе некоторых микроорганизмов и пептидных антибиотиков.


2.2.2. Физико-химические свойства аминокислот 

Аминокислоты представляют собой белые кристаллические вещества хорошо растворимые ( за некоторым исключением) в воде, аммиаке и других полярных растворителях; в неполярных и слабополярных растворителях (метанол, этанол, ацетон) растворяются плохо.

В водных растворах все -аминокислоты существуют в виде биполярных ионов (цвиттер-ионов) с диссоциированной карбоксильной группой и протонированной аминогруппой:

В зависимости от рН среды аминокислоты могут быть в форме катионов, анионов, электронейтральных биполярных ионов или смеси этих форм, одна из которых обычно доминирует. Аминокислоты - амфотерные соединения; в сильнокислых растворителях имеют положительный заряд, в щелочных - отрицательный заряд:

Вследствие амфотерности аминокислоты в зависимости от состава раствора могут реагировать с кислотами и основаниями, образуя соответствующие соли:

Благодаря амфотерности аминокислоты являются буферными веществами, выполняющими важную функцию регулирования рН в организме.

Аминокислоты могут вступать в реакцию как по карбоксильной группе, так и по аминогруппе.

При взаимодействии аминокислот с формальдегидом образуются метиленовые соединения, представляющие собой кислоты, которые можно титровать щелочью:

Эта реакция лежит в основе метода формольного титрования при количественном определении аминокислот по Серенсену.

Все -аминокислоты реагируют с нингидрином (трикетогидринден-гидратом) с образованием продукта, окрашенного в сине-фиолетовый цвет (см. практикум по биохимии). Эта реакция применяется для точного определения очень маленьких количеств аминокислот.

Карбоксильная группа аминокислот может реагировать со спиртами, образуя сложные эфиры:

Эту реакцию используют для разделения и определения аминокислот путем фракционной перегонки их эфиров в вакууме.

Аминокислоты могут вступать в реакцию с соединениями, содержащими карбонильную группу (С=О), например с восстанавливающими сахарами и альдегидами.

В результате этой реакции из аминокислты образуются соответствующий альдегид , аммиак и диоксид углерода, а из сахара фурфурол или оксиметилфурфурол. Образующиеся альдегиды обладают определенным запахом, от которого зависит аромат пищевых продуктов. Фурфурол и оксиметилфурфурол легко вступают в соединение с аминокислотами, образуя темноокрашенные соединения - м е л а н о и д и н ы. Особенно интенсивна реакция между аминокислотами и восстанавливающими сахарами происходит при повышенных температурах, имеющих место при сушке овощей, фруктов, молока и солода, при упаривании сахарных сиропов, выпечке хлеба и изготовлении кондитерских изделий, самосогревании зерна, обработке вина теплом.

Реакция образования меланоидинов может происходить при взаимодействии сахаров с белками.



К настоящему времени описано около 200 природных аминокислот, выделенных из животного и растительного материала. Все природные аминокислоты делят на две группы: п р о т е и н о г е н н ы е, или белковые (обнаружены только в белках) и н е п р о т е и н о г е н н ы е, или небелковые ( в белках не обнаружены).

2.2.3.1. Протеиногенные аминокислоты

Аминокислоты, обнаруженные в белках, можно классифицировать по разным признакам. По строению боковой цепи (R-группы) различают алифатические, ароматические и гетероциклические аминокислоты, по числу аминных и карбоксильных групп - моноаминомонокарбоновые (одна NH₂-группа и одна СООН-группа), диаминомонокарбоновые (две NH₂ -группы и одна СООН-группа), моноаминодикарбоновые (одна NH₂-группа и две СООН-группы), по положению изоэлектрической точки - нейтральные, основные и кислые. Аминокислоты, содержащие в радикалах ОН - группы, называют гидроксиаминокислотами, а содержащие серу - серосодержащими кислотами. По способности к синтезу в животном организме биохимики делят аминокислоты на заменимые и незаменимые. Аминокислоты, содержащие NH-группы вместо NH₂ - групп, называют иминокислотами.

По полярности R-групп, т.е. способности R-групп к взаимодействию с водой при соответствующих внутриклеточных условиях рН (рН вблизи 7,0) , аминокислоты делят на четыре группы: с неполярными или гидрофобными R-группами, полярными, но не заряженными R-группами, отрицательно заряженными R-группами и положительно заряженными R-группами. Рассмотрим строение аминокислот этих групп.

А м и н о к и с л о т ы с н е п о л я р н ы м и (гидрофобными) R-г р у п п а м и. Эти аминокислоты, по сравнению с другими аминокислотами, медленно растворяются в воде; их R-группы представляют собой углеводороды, и, следовательно, гидрофобны. При растворении в воде диссоциируют только аминная и карбоксильная группы расположенные у -углеродного атома. 

  

СН₂ CHCH₃

 

CHCH₃ СН₂

 

СН₃ СН₃

Лейцин, лей (-амино--метил- Изолейцин, иле (-амино--

валериановая кислота) метилвалериановая кислота)


5. NH₂CHCOOH 6. NH₂CHCOOH

  

СН₂ СН₂ 

 

СН₂S CH₃ 

Метионин ,мет (-амино-- 

метилмасляная кислота) Фенилаланин, фен (-амино--

фенилпропионовая кислота)


7 . NH₂CHCOOH 

 8.

СН₂  COOH

 

N 

NH  

H










Триптофан, три (-амино-- Пролин, про (пирролидин-

индолилпропионовая кислота) карбоновая кислота)

А м и н о к и с л о т ы с н е п о л я р н ы м и н е з а р я ж е н н ы м и R-г р у п п а м и. Эти аминокислоты лучше растворяются в воде, т.е. они более гидрофильны, чем неполярные аминокислоты, т.к. их радикалы имеют группы, способные образовывать водородные связи с молекулами воды . В эту группу входят пять аминокислот и два амида:

1. NH₂CHCOOH 2. NH₂CHCOOH

 

Н СН₂

Глицин, гли (аминоуксус-  

ная кислота) ОН

Серин, сер (-амино--гидрокси-

пропионовая кислота)

3. NH₂CHCOOH 4. NH₂CHCOOH

 

СН₂ СНОН

 

SH СН₃

Цистеин, цис (-амино-- Треонин, тре (-амино--гидрокси- 

тиопропионовая кислота) масляная кислота)


5. NH₂CHCOOH 6. NH₂CHCOOH

  

СН₂ СН₂

 

С=О



 NH₂

ОН

Тирозин, тир (-амино--пара- Аспарагин, асн (-амид аспараги- 

гидроксифенилпропионовая новой кислоты, или полуамид -

кислота) аминоянтарной кислоты)


7. NH₂CHCOOH



(СН₂)₂



С=О



NH₂

Глутамин, глн (-амид глутаминовой

кислоты, или полуамид -аминоглута-

ровой кислоты). 

R-группа глицина, представленная атомом водорода, не может компенсировать сильную полярность -аминогруппы и -карбоксильной группы. Тиоловая группа цистеина и гидроксильная группа тирозина, диссоциирующие с образованием водорода, при рН 7,0 ионизированы в незначительной степени.

Аспарагин и глутамин в водных растворах практически нейтральны, т.к. свзяи СN в амидах имеют частично двоесвязный характер из-за взаимодействия неподеленной пары азота с карбонильной группой:

RC =О  R  С =О

 

NH₂ ⁺ NH₂

^  

А м и н о к и с л о т ы с о т р и ц а т е л ь н о з а р я ж е н н ы м и (кислыми) R- г р у п п а м и. Каждая из аминокислот этой группы содержит вторую карбоксильную группу, диссоциирующую с образованием ионов Н⁺ и при рН 7 несет суммарный отрицательный заряд. В группу входят две аминокислоты:


1. NH₂CHCOOH 2. NH₂CHCOOH 

  

СН₂ (СН₂)₂ 

  

СООН СООН


Аспарагиновая кислота, Глутаминовая кислота,

асп (-аминоянтарная глу (-аминоглутаровая

кислота) кислота)


А м и н о к и с л о т ы с п о л о ж и т е л ь н о з а р я ж е н н ы м и (основными) R - г р у п п а м и. К этой группе относят три следующие аминокислоты:


1. NH₂CHCOOH 2. NH₂CHCOOH

 

(СН₂)₄ (СН₂)₃ 

 

NH₂ NH

Лизин, лиз (,-диамино- 

капроновая кислота) C = NH



NH₂

Аргинин, арг (-амино--

гуанидинвалериановая кислота) 

3. NH₂CHCOOH

 

СН₂

 




NH N




Гистидин, гис (-амино--имидазол пропионовая кислота) 

Эти аминокислоты в радикалах имеют группы, способные принимать ион Н⁺. Такими группами служат: в радикале лизина -аминогруппа, в радикале аргинина - гуанидиновая группа, в радикале гистидина - имидазольное кольцо.




1. NH₂ C NH 2. 

 

⁺ NH₂ NH ⁺NH


положительно заряженная

гуанидиновая группа ра- положительно заряженное имида- 

дикала аргинина зольное кольцо радикала гистидина

3. ⁺NH₃ - положительно заряженная аминогруппа радикала лизина.

Все основные аминокислоты несут суммарный положительный 

Н е з а м е н и м ы е а м и н о к и с л о т ы. Растения и некоторые микроорганизмы могут синтезировать все аминокислоты, нужные им для построения клеточных белков. Животный организм способен синтезировать только около половины аминокислот, необходимых ему для построения белков своего тела. Эти аминокислоты получили название з а м е н и м ы е. Остальные десять протеиногенных аминокислот животные организмы синтезировать не могут и должны получать их с пищей. Эти аминокислоты называют н е з а м е н и м ы м и или о б я з а т е л ь н ы м и. К ним принадлежат: валин, изолейцин, метионин, лейцин, лизин, треонин, триптофан, фенилаланин, аргинин и гистидин. Отсутствие или недостаток в пище каких-либо незаменимых аминокислот приводит к угрожающим жизни явлениям (задержка роста, расстройство биосинтеза белков, возникновение заболеваний и т.п.).

С понятиями заменимые и незаменимые аминокислоты связаны понятия п о л н о ц е н н ы е и н е п о л н о ц е н н ы е белки. Полноценными называют белки, содержащие все незаменимые аминокислоты. Белки, не содержащие хотя бы одну незаменимую аминокислоту, называют н е п о л н о ц е н н ы м и. На основании аминокислотного состава суммарного белка данного пищевого продукта можно говорить лишь о его меньшей или большей биологической ценности. Б и о л о г и ч е с к а я ц е н н о с т ь б е л к а - это интегральный показатель, который определяется качеством (аминокислотным составом ) и количеством белка в рационе, переваримостью белка в желудочно-кишечном тракте, скоростями всасывания аминокислот и последующим использованием их на нужды организма. Высокую биологическую ценность имеют белок куриного яйца и белок молока. Эти белки содержат незаменимые аминокислоты не только в достаточном количестве, но и в необходимом для человека соотношении. Если принять биологическую ценность белков молока или яйца (их называют идеальными белками) за 100%, то для белков мяса и рыбы она будет составлять в среднем 90-95%, белков клубней картофеля - 85%, белков бобовых культур - 75-85%, белков пшеницы и ячменя - 60 - 70 %. Низкая ценность многих белков связана с небольшим содержанием в них незаменимых аминокислот (главным образом лизина, метионина, триптофана и треонина).


2.3. Строение и пространственная структура белковой молекулы

2.3.1. Химические связи в молекуле белка

Многочисленными исследованиями установлено, что в молекуле белка имеются следующие типы связей: пептидные, дисульфидные, водородные, ионные (солевые), гидрофобное взаимодействие.

П е п т и д н а я с в я з ь. Взаимодействие аминогруппы одной аминокислоты с карбоксильной группой другой сопровождается выделе-нием молекулы воды. Реакция, идущая с выделением воды, называется реакцией к о н д е н с а ц и и , а возникающая ковалентная азот-углеродная ( СО  NH ) связь - п е п т и д н о й (амидной) связью:


NH₂CHCOOH + NH₂CHCOOH  NH₂CHCONHCHCOOH + H₂ O 

   

R R₁ R R₁ 

Образование пептидной связи в белках происходит только за счет взаимодействия -аминогруппы и -карбоксильной группы аминокислот. Соединение, образованное в результате конденсации двух аминокислот, называют дипептидом. На одном конце его молекулы находится свободная -аминогруппа, а на другом - свободная -карбоксильная группа. Благодаря этому к дипептиду можно присоединить еще одну аминокислоту и получить трипептид и т.д.

Аминокислотные звенья, входящие в состав пептида называют а м и н о к и с л о т н ы м и остатками.

Д и с у л ь ф и д н а я с в я з ь. Эта прочная ковалентная связь образуется в результате окисления SH-групп двух, рядом расположенных радикалов цистеина:


NHCHCO NHCHCO 

  

CH₂ CH₂ 

  

SH  2Н S 

 

SH + 2Н S 

  

CH₂ CH₂ 

  

NHCHCO NHCHCO 


Дисульфидные связи могут возникать как между разными полипептидными цепями, так и между различными участками одной и той же полипептидной цепи.

В о д о р о д н а я с в я з ь. Это особый вид химической связи, в которой атом водорода, ковалентно связанный с одним из электроотрицательных атомов, образует дополнительную связь с соседним электроотрицательным атомом. Известно несколько типов водородных связей:

ОН••••О=С = =NН••••О=С =


ОН••••N = = NН••••О=




ОН••••О= = NН••••N =



Различают межмолекулярные и внутримолекулярные водородные связи. 

И о н н а я (солевая) с в я з ь. При определенном значении рН ионизированная аминогруппа может взаимодействовать с ионизированной карбоксильной группой, в результате чего возникает и о н н а я или с о л е в а я связь: 

 

NH NH

    

CHCH₂CH₂CH₂CH₂NH₃ •••OOC CH₂CH₂CH

 

CO CO

 

остаток лизина остаток глутаминовой кислоты

Эта связь образуется как между положительно заряженными группами радикалов аминокислот, так и NH₂ и СООН - группами свободных концов полипептидных цепей. Ионные связи легко разрываются при изменении рН среды. 

Г и д р о ф о б н ы е в з а и м о д е й с т в и я. Это особый вид слабых межмолекулекулярных сил, действующих только между неполярными молекулами (и радикалами) и только в водной среде. Суть гидрофобного взамодействия состоит в том, что две или большее число неполярных групп (например, радикалы валина, лейцина, аланина), сближаясь друг с другом, могут образовывать такую неполярную фазу молекулярного масштаба, из которой вытеснены все молекулы воды. 



Аминокислоты, соединяясь друг с другом при помощи пептидных связей, образуют пептиды. По числу аминокислотных остатков, содержащихся в пептиде, различают ди- , три-, тетра-, ... нона-, декапептиды и т.д. Пептиды, в молекулах которых меньше 10 аминокислотных остатков, условно относят к о л и г о п е п т и д а м; пептиды, построенные из большего числа аминокислотных остатков (до  50) - к п о л и п е п т и д а м. 

Свободные пептиды обладают высокой биологической активностью. Многие из них служат гормонами (химические вещества, участвующие в регуляции обмена веществ и функционировании органов и тканей), некоторые представлениы сильнейшими ядами (яды змей, жаб, насекомых, высших грибов, микроорганизмов), антибиотиками (химические вещества, вырабатываемые одними микроорганизмами и “убивающие” другие микроорганизмы), регуляторами клеточного деления, регуляторами психической деятельности, переносчиками молекул и ионов через клеточные мембраны.

Приведенная формула соответствует так называемому восстановлен-ному глутатиону (SH-глутатион). В клетках наряду с восстановленным глутатионом всегда присутствует окисленный глутатион (-S-S-глутатион), состоящий из двух молекул восстановленного глутатиона, соединенных дисульфидной (-S-S-)- связью, которая образовалась в результате отнятия от каждой SH-группы по одному водороду: 

 2 Н

2 Г  SH  Г SS Г

SH - глутатион SS - глутатион

Восстановление окисленного глутатиона происходит за счет источников водорода, вырабатываемых в процессе обмена веществ в организме.

Глутатион - сильный внутриклеточный восстановитель и его основная функция состоит в том, чтобы защитить SH-группы белков от окисления и тем самым сохранить биологическую функцию белков. Глутатион выполняет специфическую роль при восстановлении пероксида водорода и аскорбиновой кислоты, служит небелковой группой отдельных белков - ферментов, играет определенную роль в транспорте аминокислот через мембрану клеток, активирует протеолитические ферменты.



В последующие годы было предложено еще несколько разнообразных теорий строения белковых веществ, но лишь одна из них - п о л и п е п т и д н а я т е о р и я с т р о е н и я б е л к о в - предложенная Э.Фишером в 1902г., выдержала испытание временем.

Согласно пептидной теории основой структуры белковой молекулы признана полипептидная цепь. Эта цепь построена из нескольких десятков, а иногда и сотен остатков аминокислот, связанных между собой пептидными связями.

В самой общей форме полипетидную цепь можно изобразить следующим образом:


R₁ R₃

 

NH₂CHCONHCHCO NHCHCO............ NHCHCOОН

 

R₂ R_n

Граница между полипептидами и белками проведена условно. К белкам относят полипептиды с молекулярной массой 6 тысяч и более и числом аминокислотных остатков свыше 50. Такой принцип деления основан на способности к диализу через природные мембраны.

Белковая молекула может состять из одной или нескольких полипептидных цепей. Цепи могут быть соединены между собой ковалентными или нековалентными связями. Белки, состоящие из двух или нескольких полипептидных цепей, не связанных между собой ковалентными связями, называют о л и г о м е р н ы м и. Отдельные полипептидные цепи в таких белках называют п р о т о м е р а м и; функционально активные части белка - с у б ъ е д и н и ц а м и.


2.3.4. Пространственная структура белковой молекулы

Полипептидная цепь нативного белка (белка, сохранившего структуру присущую ему в живой клетке) в нормальных биологических условиях - обычная температура и нейтральные значения рН имеет, как правило, одну к о н ф о р м а ц и ю, называемую н а т и в н о й (натуральной, естественной). Эта нативная конформация достаточно устойчива. Существуют первичная, вторичная, третичная и , введенная в 1958 г. Берналом, четвертичная структура белковой молекулы. Рассмотрим каждую из этих структур. П е р в и ч н а я с т р у к т у р а - это число и последовательность расположенния аминокислотных остатков, образующих полипептидную цепь белковой молекулы. Для первичной структуры характерны только ковалентные связи (включая и дисульфидные мостики) и поэтому ее обозначают как ковалентную структуру.

Белки отличаются друг от друга по первичной струтуре. Соединяя аминокислоты в различном порядке, можно получить почти бесконечное число последовательностей и , значит, почти бесконечное множество разнообразных белков. также идентичны цитохромы С коровы, овцы и свиньи. Следовательно, первичная структура гомологичных белков может быть применена в качестве критерия для установления родства между отдельными видами живых существ.

Первичная структура белков - основа для определения более высоких уровней их пространственной организации.

В т о р и ч н а я с т р у к т у р а - это способ укладки остова (стержня, хребта) полипептидной цепи без учета укладки радикалов. Она включает два различных типа регулярных структур, встречающихся во многих белках: спиральные структуры и структуры складчатого слоя (листа).

Из спиральных структур признанной является -спираль (спираль Полинга и Кори). Она стабилизирована водородными связями, образованными между находящимися поблизости СО и NHгруппами пептидных связей данной полипептидной цепи. При этом кислород каждой СОгруппы образует водородную связь с водородом четвертой по ходу цепи NHгруппой. Благодаря -спирали белковая молекула напоминает растянутую пружину (рис 2.1). Один виток спирали включает 3,6 остатка аминокислот (11 атомов полипептидной цепи), высота одного витка по оси (шаг спирали) равна 0,54 нм, вертикальный прирост, соответствующий одному аминокислотному остатку, составляет 0,15 нм; внутренний диаметр спирали равен 1,01 нм. Водородные связи приблизительно параллельны оси спирали.

Другой тип вторичной структуры - -структура (или структура складчатого листа) стабилизирован водородными связями, возникающими между СО- и NH-группами прилегающих друг к другу различных полипептидных цепей или различных участков одной и той же полипептидной цепи.

В пространственном представлении -структура обнаруживает “плиссированность” (складчатость), причем радикалы аминокислотных остатков стоят попеременно с разных сторон складчатого листа (рис 2.2). В зависимости от взаимного положения атомов в разных цепях или участках одной цепи возможно существование двух типов складчатого листа. Если обе цепи направлены в одну сторону, такое расположение называют п а р а л л е л ь н ы м, если цепи направлены в противоположные стороны - а н т и п а р а л л е л ь н ы м.



А.Показано расположение на листах атомов двух антипараллельных полипептидных цепей. Б. Схематическое изображение структуры складчатого листа. Водородные связи между СО- и NH-группами обозначены пунктиром.


Т р е т и ч н а я с т р у к т у р а - это способ компактного расположения в пространстве всех атомов и групп полипептидной цепи, имеющей вторичную структуру. Эта структура трехмерна и характеризует конформацию молекулы белка в целом. В стабилизации третичной структуры участвуют водородные связи как между пептидными группами, так и радикалами аминокислотных остатков, ионные дисульфидные связи, гидрофобное взаимодействие и некоторые другие связи (рис 2.3).

Важное значение в формировании третичной структуры белковой молекулы имеют последовательность аминокислотных остатков полипептидной цепи, размер, форма и полярность радикалов аминокислотных остатков. При формировании третичной структуры большая часть гидрофобных радикалов располагается внутри белковой молекулы; полярные (гидрофильные) радикалы находятся на ее поверхности, т.е. поверхность молекулы белка преимущественно гидрофильна.


Рис 2.3.Схема третичной структуры белка.

1.Водородные связи -структуры. 2.Водородные связи между R-группами аминокислотных остатков. 3. Водородные связи -спирали. 4. Гидрофобные взаимодействия. 5. Солевые (ионные) связи. 6. Дисульфидные связи.


Ч е т в е р т и ч н а я с т р у к т у р а. Белки, имеющие молекулярную массу более 50000 состоят из двух или нескольких отдельных полипептидных цепей и называются л и г о м е р н ы м и. Ранее указывалось, что отдельные полипептидные цепи в таких белках называют п р о т о м е р а м и, а функциональные части - с у б ъ е д и н и ц а м и. Субъединицы могут состоять из одной или более полипептидных цепей. Каждая из полипептидных цепей, образующих субъединицу, характеризуется своей первичной, вторичной и третичной структурами.

Наиболее часто в составе олигомерных белков содержится 2 или 4 протомера, реже - от 6 до 12 или 24 и в редчайших случаях их число может быть нечетным. Между собой отдельные протомеры соединяются водородными, ионными, гидрофобными и другими нековалентыми связями.

Способ совместной упаковки и укладки в пространстве полипептидных цепей олигомерного белка в его нативной конформации называют ч е т в е р т и ч н о й с т р у к т у р о й. Эта структура олигомерных белков определяется первичной структурой, входящих в их состав протомеров.

Классическим примером белка, для которого методом рентгено-структурного анализа М.Перуц и его сотрудники установили третичную и четвертичную структуры, является г е м о г л о б и н. Молекула гемоглобина состоит из четырех полипептидных цепей - двух -цепей (по 141 остатку) и двух -цепей (по 146 остатков аминокислот), каждая из которых связана с небелковым железосодержащим веществом - г е м о м ( рис 2.5). При образовании единой молекулы гемоглобина одинаковые цепи (  -  и  - ) мало соприкасаются и между ними осуществляется лишь ион-ионное взаимодействие конце-вых групп. В то же время между - и -цепями образуется большое число неполярных и водородных связей. При этом в образовании связей меж-ду ₁ и ₁ ( ₂ и ₂ ) димерами участвуют 34 боковых остатака, а между ₁ и ₂ ( ₂ и ₁) - лишь 19 остатков.




То обстоятельство, что крупные молекулы белков состоят обычно из нескольких полипептидных цепей, а не из одной очень длинной цепи, дает ряд преимуществ: при их биосинтезе требуется значительно меньшая генетическая информация (меньший участок структурного гена ДНК), чем при большой одноцепочечной молекуле; сводятся к минимуму появления случайных ошибок при их биосинтезе, становятся возможными регуляторные взаимодействия.



Молекулярные массы белков колеблются от  6 000 (условно принятый нижний предел) до 1 000 000 и выше.

Молекулярные массы белков определяют с помощью специальных методов: по скорости осаждения в центробежном поле, по скорости диффузии белков в растворителе, по осмотическому давлению, на основании рентгеноструктурного анализа и др. 

Белки относят к высокомолекулярным соединениям, так как их молекулярные массы колеблются от нескольких тысяч до миллионов. Размеры молекул белков составляют 1- 100 нм и соответствуют размерам частиц высокодисперсных систем. Молекулы белков вследствие необычайно больших размеров называют макромолекулами. 



Макромолекулы белков несут на своей поверхности большое количество карбоксильных и аминных групп, что придает им свойства амфотерных полиэлектролитов. Карбоксильные группы, способные к диссоциации с образованием протонов (Н⁺), определяют кислотные свойства молекулы белка; аминогруппы, способные присоединять протоны, определяют ее основные свойства.

Соотношение между количеством кислых и основных группировок варьирует у различных белков. Белки, в которых преобладают кислые группировки, имеют при рН 7 (или близких к 7) суммарный отрицательный заряд и их называют кислыми; белки, в которых преобладают основные группировки, имеют при указанных значениях рН положительный заряд и их называют основными. В живых организмах преобладают кислые белки.

В растворе молекулы белков могут менять свой заряд в зависимости от рН среды: 

_{+ + O + +}

NH₃ NH₃ NH₃

 +H⁺  + H⁺ 

^ООС COO^  HOOC COO^ HOOC COOH




при рН 7 при снижении рН


_{+ + O }

NH₃ NH₂ NH₂

 ₊ + OH^  ₊ +OH^ 

^ООС  NH₃ ^ООС  NH₃ ^ООС NH₂ 

H₂O H₂O 

при рН 7 при увеличении рН

Следовательно, изменяя рН среды добавлением кислот или щелочей, можно не только уравнять положительные и отрицательные заряды на поверхности молекулы белка, но и усилить один из них или изменить на противоположный. В кислой среде молекулы белка приобретают положительный заряд и в поле постоянного электрического тока движутся к катоду; в щелочной среде они приобретают отрицательный заряд и в поле постоянного электирческого тока движутся к аноду. Передвижение заряженных растворенных частиц в поле постоянного электрического тока получило название э л е к т р о ф о р е з а (“движение посредством электрического поля”).

Для каждого белка (равно пептида и аминокислоты) существует рН при котором положительные и отрицательные заряды в молекуле белка уравновешиваются и суммарный заряд ее становится равным нулю. Такая молекула теряет подвижность в электрическом поле. Величина рН, при котором молекула белка не несет суммарного заряда и не движется в электрическом поле, называется и з о э л е к т р и ч е с к о й т о ч к о й (ИЭТ) и обозначается рН_J; это одна из характерных констант белков. 

В изоэлектрической точке белок обладает наименьшей растворимостью, легко выпадает в осадок, растворы его менее вязки. Эти явления можно объяснить отсутствием электростатического отталкивания между молекулами белка.



Подавляющее большинство белков обладает гидрофильными свойствами, т.е. способностью легко взаимодействовать с молекулами воды. Гидрофильность белков обусловлена полярными заряженными и полярными незаряженными группами, расположенными на поверхности их молекул. Полярными заряженными группами в молекуле белка являются радикалы лизина, гистидина, аргинина, аспарагиновой и глутаминовой кислот; полярными незаряженными - радикалы серина, треонина, тирозина, цистеина, аспарагина, глутамина и др. Гидрофильные вещества легко растворяются в воде и водных растворах.

Растворимость белков в растворителях неодинакова и зависит от многих факторов: природы, состава и рН растворителя, ионной силы и температуры раствора, структурных особенностей молекулы данного белка и других факторов. В результате чего одни белки хорошо растворимы в воде, другие - в водных растворах нейтральных солей, третьи - в слабых растворах кислот или щелочей, четвертые - в смеси воды и органических растворителей (например, этанола или ацетона). В большинстве чистых органических растворителей белки не растворяются. Среди белков есть и нерастворимые во всех перечисленных растворителях. Это связано с особенностью их структуры.

Большое значение для растворимости белка имеет ионная сила раствора ( в частности, концентрация электролита). При низких ионных силах растворимость белка увеличивается, а при высоких - уменьшается. Зависимость раствримости большинства белков от рН при данной ионной силе описывается U -образной кривой с минимумом растворимости вблизи изоэлектрической точки и увеличенной растворимостью при значениях рН меньше и больше изоэлектрической точки. С повышение температуры до определенной величины (например, от 0 до 25 - 40^О С) растворимость большинства белков повышается ( это правило имеет исключение).

При растворении белков в воде и водных растворах происходит гидратация каждой белковой молекулы, т.е. взаимодействие полярных групп белка с водой. При этом например, -СО-NH- группы связывают по одной молекуле воды, карбоксильные группы - по четыре молекулы воды, аминогруппы - по одной молекуле воды.

В результате гидратации вокруг заряженных молекул белка образуется электрозаряженный водный слой (гидратная оболочка), состоящая из молекул воды, ориентированных по отношению к молекуле белка строго определенным образом.

Чем дальше молекулы воды удалены от поверхности молекулы белка, тем беспорядочнее их расположение в растворе. Вокруг электронейтральных молекул белка гидратная оболочка не образуется.

Гидратная оболочка препятствует агрегации белковых частиц и тем самым способствует устойчивсти раствора белка. Таким образом, заряд и гидратная оболочка являются важными факторами, обусловливающими устойчивость белковых растворов.

При осаждении белков необходимо устранить факторы, обусловливающие устойчивость их растворов, т.е. разрушить гидратную оболочку и снять электрический заряд.

Разрушить гидратную оболочку можно прибавлением к раствору белка достаточно больших количеств в о д о о т н и м а ю щ и х (дегидратирующих) веществ, таких как этанол, ацетон, сульфат аммония, нейтральные соли. 

Осаждение белка из раствора при добавлении нейтральных солей и сульфата аммония называют в ы с а л и в а н и е м . 

Разные белки высаливаются при неодинаковых концентрациях нейтральных солей. Это свойство широко используют для разделения смеси белков.

Электрический заряд можно снять добавлением к раствору белка кислоты или щелочи до рН, равной изоэлектрической точке растворенного белка. Как указывалось выше в изоэлектрической точке отсутствует электростатическое отталкивание между молекулами белка и они легко выпадают в осадок. Поскольку разные белки имеют разные изоэлектрические точки, то их можно отделить друг от друга путем осаждения в изоэлектрической точке.

Наиболее полное осаждение белка может быть достигнуто путем разрушения гидратной оболочки и снятия электрического заряда.



Растворы белков обладают свойствами как истиных, так и коллоидных растворов. Это связано с тем, что белки в растворе диспергированы до единичных молекул, но, вследствие большой молекулярной массы и связанного с ней большого размера частиц (1 - 100 нм), растворы белков имеют коллоидный характер.

Растворы белка, в связи с коллоидным характером, рассеивают свет (явление Тиндаля), характеризуются высокой вязкостью, при определенных условиях могут терять текучесть и образовывать г е л и, или с т у д н и (студни, сформированные из молекул белков, рассматривают как частную форму гелей).

Молекулы белка вследствие большого размера медленно диффундируют в растворе в направлении более низкой концентрации и неспособны проникать через поры искусственных мембран из целлофана, коллодия, пергамента, а также большинства мембран клеток растений и животных. В то же время молекулы низкомолекулярных веществ (вода, этанол, соли, аминокислоты, сахара и т.п.) свободно проходят через такие мембраны.


2.4.5. Денатурация белков 

Под денатурацией понимают вызванную различными физическими и химическими факторами утрату молекулой белка присущей ей нативной конформации. Денатурация - характерное свойство белков. При денатурации происходит разрыв нековалентных (в первую очередь водородных) связей в молекуле белка, что сопровождается нарушением четвертичной, третичной и частично вторичной структур белка без каких-либо изменений первичной структуры. Разрыв нековалентных связей приводит к тому, что компактная молекула белка превращается в беспорядочный клубок.

А - нативная молекула Б- беспорядочный клубок

Денатурация белковых молекул сопровождается потерей ими биологической активности (способности выполнять свойственную функцию) и изменением многих физико-химических свойств: уменьшением (и даже потерей) растворимости, способности кристаллизоваться, водопоглотительной способности и способности к набуханию, смещением изоэлектрической точки и константы седиментации, повышением вязкости, увеличением поглощения света в ультрафиолетовой области и др.

Из химических соединений денатурацию вызывают кислоты и щелочи (при рН ниже 3 и выше 10-11), этанол и ацетон при продолжительном воздействии, мочевина, гуанидинхлорид, ионы тяжелых металлов, йода, тиоцианата, поверхностно-активные вещества (додецилсульфат), дубильные вещества (танин) и др.

Из физических факторов денатурацию вызывают сильное перемешивание или встряхивание. высокое давление - 500-1000 Мпа, высушивание, нагревание, активное вспенивание растворов белка, ультрафиолетовое, рентгеновское и радиактивное облучение, обработка ультразвуком и др.

Наиболее распространенным фактором денатурации является нагревание. Этот прием широко используют в пищевой промышленности. Важное значение при тепловой денатурации белка имеет вода. Например, в водн ых растворах белки денатурируют при нагревании выше 50-60^ОС; обезвоженный белок не денатурирует при нагревании до 100^ОС.

При переработке сырья животного и растительного происхождения в продукт в одних случаях необходимо создать условия, способствующие денатурации белков, в других - предотвратить этот процесс. Денатурация белков имеет важное значение при изготовлении консервов, выделке кожи и меха, выпечке хлеба и кондитерских изделий, при сушке макарон и овощей, приготовлении пищи и т.п. П ри получении биологически активных препаратов ( ферментов, гормонов и т.п.) процесс денатурации необходимо предотвратить. Денатурация в большинстве случаев - процесс необратимый, однако известны случаи обратимой денатурации белков, называемой р е н а т у р а ц и е й. 



Для белков наиболее характерны - цветные реакции и реакции осаждения. Из цветных реакций важнейшими являются биуретовая, нингидриновая, ксантопротеиновая и некоторые другие.

Биуретовая реакция обусловлена наличием пептидных связей, образущих в щелочной среде с ионами двухвалентной меди комплекс, окрашенный в фиолетовый или красно-фиолетовый цвет.

Нингидриновая реакция обусловлена наличием в белках аминных групп, образующих при нагревании с нингидрином соединение, окрашенное в сине-фиолетовый цвет.

Ксантопротеиновая реакция заключается в том, что при нагревании раствора белка с концентрированной азотной кислотой появляется желтое окрашивание, обусловленное наличием в молекуле белка радикалов аминокислот, содержащих бензольное кольцо.

Из реакций осаждения часто пользуются получением осадка при действии на раствор белка так называемых белковых осадителей: растворов трихлоруксусной и сульфосалициловой кислот, таннина, ацетата свинца, вольфрамата натрия, гидроксида меди. Белки можно осадить при нагревании их нейтральных или слабокислых растворов.

Наиболее полно цветные реакции на белки и реакции осаждения белков изложены в руководствах к лабораторным занятиям по биохимсии.

Растворы белков обладают способностью поглощать ультрафиолетовый свет (УФ-свет) в трех областях: вблизи 190, при 210-250 и более 250 нм. Поглощение УФ-света при длинах волн более 250нм с максимумом при 280нм обусловлено радикалами триптофана, тирозина и, в меньшей степени, фенилаланина. Это свойство белков используют для их количественного определения методом с п е к т р о- ф о т о м е т р и и. Поскольку число остатков ароматических аминокислот в одной и той же массе разных белков варьирует в широких пределах, метод не является точным. При работе с белками условно принимают, что одна единица оптической плотности при 280 нм соответствует массовой концентрации белка, равной приблизительно 1мг/мл ( при толщине слоя жидкости 1 см). На основании этого делают расчет. Метод прост и быстр в исполнении, поэтому, несмотря на недостаточную точность его широко применяют при работе с индивидуальными белками.



К настоящему времени из животных и растительных организмов выделено большое количество самых разнообразных белков, что требует создания определнной системы в их номенклатуре и классификации. 

Названия белкам дают по различным признакам: латинскому названию объекта, из которого выделен белок, химическому составу белка, выполняемой функции и т.п. Например, название авидин - белок яиц - происходит от латинского слова avis -птица; оризин - белок риса - от oryza - рис; авенин - белок овса - от avena - овес; гордеин - белок ячменя - отhоrdeum - ячмень и т.д. На основании химического состава и функций названы: ферритин - белок тканей животных и зеленых растений, содержащий железо; трансферрин - белок животных тканей, участвующий в транспорте железа; церулоплазмин - белок крови, содержащий медь и участвующий в ее обмене и др.

В основу классификации белков положено несколько подходов, а именно различие в форме их молекул, различие в функциях, различие в структуре, различие в химическом составе.

В зависимости от формы молекул белки делят на глобулярные (шаровидные) и фибриллярные (нитевидные).

Г л о б у л я р н ы е белки характеризуются тем, что их молекулы, называемые глобулами, по своей форме приближаются к шару или эллипсоиду вращения. Отношение длинной оси к короткой (степень асимметрии) в молекулах этих белков наиболее часто колеблется в пределах от 3 до 6 (1 бывает редко). В некоторых случаях степень асимметрии может достигать 11 - 20 и даже более. В общем, одни из глобулярных белков могут иметь шарообразную форму, другие - форму сигары, третьи - форму эллипсоида вращения.

Для глобулярных белков наиболее типична третичная структура, они растворимы в воде и разбавленных растворах нейтральных солей. К этой группе белков относятся все фементы и, за исключением структурных, большинство других белков животных и растительных организмов.

Ф и б р и л л я р н ы е белки - ус тойчивые, нерастворимые в воде и разбавленных растворах нейтральных солей, вещества. Для этих белков наиболее характерной является вторичная структура; третичная почти или полностью не выражена. Полипептидные цепи, располагаясь параллельно друг другу вдоль одной оси, образуют длинные волокна (фибриллы) или слои. Отношение длинной оси к короткой в молекулах этих белков составляет несколько десятков, сотен и даже тысяч единиц. Фибриллярные белки являются основными элементами сухожилий, костей, хрящей, волос, перьев, рогов, паутины и т.п.

В соответствии с биологическими функциями можно выделить следующие группы белков: ферменты, транспортные белки, пищевые и запасные белки, сократительные и двигательные белки, структурные белки, защитные белки, регуляторные белки.

В зависимости от химического состава все белковые вещества разделили на две группы: п р о с т ы е белки и с л о ж н ы е белки. Простые белки построены из аминокислот. Сложные белки состоят из какого-либо простого белка и небелкового компонента, называемого простетической группой. Каждая из этих групп белков подразделяется на ряд подгрупп.



На основании условно выработанных критериев (растворимость, аминокислотный состав, осаждаемость и др.) простые белки делят на следующие группы: протамины, гистоны, альбумины, глобулины, проламины, глютелины, протеиноиды. 

П р о т а м и н ы (простейшие белки). Это относительно небольшие белки с молекулярной массой до 10 000. В составе молекулы этих белков содержится до 85% аминокислот с положительно заряженными радикалами (обычно аргинин) и ограниченный набор (6 - 8) других аминокислот, что обусловливает их основные свойства. 

Протамины растворимы в слабых растворах кислот, не осаждаются при кипячении, имеют изоэлектричекую точку при рН 10 -12, входят в состав белков нуклеопротеинов, не содержат триптофан и серу.

Г и с т о н ы. Представляют собой основные белки с молекулярной массой от 12000 до 20000, содержащие в составе молекулы 20-30% аминокислот с положительно заряженными радикалами (обычно аргинин и лизин). Гистоны не содержат триптофана, растворимы в разбавленных кислотах (0,2М HСl ), осаждаются аммиаком и этанолом, имеют изоэлектрическую точку при рН 8,5.

Гистоны содержатся главным образом в ядрах клеток животных и растений, где играют важную роль в структуре хроматина (нитевидного комплекса ДНК, гистонов и др. белков). 

А л ь б у м и н ы относятся к белкам, широко распространенным в животных и растителтных организмах. Содержатся эти белки в сы-воротке крови, белке яиц, мышцах, молоке, семенах, листьях, стеблях и корнях растений. 

Альбумины растворяются в воде, из водных растворов высаливаются сульфатом аммония при полном насыщении, при кипя-чении выпадают в осадок в виде сгустков денатурированного белка.

Г л о б у л и н ы - белки, нерастворимые в воде, но растворимые в разбавленных растворах нейтральных солей (4-10%); осаждаются из раствора при полунасыщении сульфатом аммония,а также при полном удалении солей, например посредством диализа. Представителями этой группы белков являются глобулины сыворотки крови, глобулины молока, яичный глобулин, легумин семян гороха, фазеолин семян фасоли, эдестин семян конопли и др.

В животных организмах глобулины выполняют защитную , транспортную и некоторые другие функции; в семенах растений они являются в основном запасными белками, но среди них имеются белки, выполняющие каталитические функции.

П р о л а м и н ы - группа хорошо растворимых в 60-80% водном растворе этанола белков. Они являются растительными белками, характерны исключительно для семян злаковых, в животном мире не встречаются.

Проламины входят в состав клейковины - белкового сгустка, обеспечивающего упругость и элластичность теста.

Г л ю т е л и н ы хорошо растворяются в слабых растворах щелочей (0,1-0,2%), но не растворимы в воде, растворах этанола и нейтральных солей. Эта группа белков, содержится в семенах злаков и других культур, а также в зеленых частях растений. 

Глютелины вместе с проламинами входят в состав клейковины. Глютелины содержат до 45% глутаминовой кислоты.

П р о т е и н о и д ы (склеропротеины). Характерной особенностью протеиноидов является полная нерастворимость в воде, растворах нейтральных солей, разведенных кислотах и щелочах. 

Протеиноиды относятся к фибриллярным белкам. Эти белки входят в состав кожи, сухожилий, костей, хрящей (коллаген), волос, рогов, копыт, перьев (кератин), паутины и шелковой нити (фиброин). Кератины содержат до 3% серы.



В состав сложных белков входит белковая часть и какая-либо небелковая (простетическая) группа. В зависимости от химической природы простетической группы различают: хромопротеины, фосфопротеины, липопротеины, гликопротеины, металлопротеины, нуклеопротеины.

Х р о м о п р о т е и н ы состоят из простого белка, связанного с каким-либо окрашенным соединением небелкового характера. Эти белки обладают высокой биологической активностью. Одни из них участвуют в окислительно-восстановительных реакциях, другие - в процессе фотосинтеза, третьи - в переносе кислорода и диоксида углерода и т.д.

Окрашенными небелковыми компонентами хромопротеинов могут быть производные каротина, изоаллоксазина, порфиринов и др. 

Хорошо изученным представителем хромопротеинов является г е м о г л о б и н - белок, играющий важную роль в дыхательной функции крови теплокровных (транспорт кислорода и диоксида углерода). Молекула гемоглобина состоит из белка глобина и небелковой группы гема. Видовая специфичность гемоглобина человека и животного обусловлена глобином; гем у всех гемоглобинов имеет одинаковое строение.



В основе химической структуры гема лежит протопорфирин IX (1,3,5,8-тетраметил-2,4-дивинил-6,7-дипропионовокислый порфирин), представляющий собой производное порфирина - ароматического макроцикла, состоящего из пиррольных колец, соединенных метиновыми группами (СН ). Протопорфирин IX, 

соединенный с двухвалентным железом, является гемом. Приводим формулы каждого из этих соединений. 

Гемоглобин обладает очень интересной и биологически важной особенностью. Он легко соединяется не только с кислородом, но и с СО, NO и другими газами. При воздействии окислителей к железу гемоглобина присоединяется группа ОН и оно становится трехвалентным.

М и о г л о б и н - относительно небольшой глобулярный, кислород-связывающий, белок (мол. масса 16700) мышечных клеток. Его молекула состоит из одной полипептидной цепи, содержащей 153 аминокислотных остатка с установленной последовательностью и одного гема. 

Ф о с ф о п р о т е и н ы - белки, содержащие в своем составе ортофосфорную кислоту, присоединенную сложноэфирной связью к остаткам серина, реже треонина.

OH

ОН OP=O

  OH

СН₂ + Н₃РО₄  СН₂

 

H₂NCHCOOH H₂NCHCOOH

Фосфосерин (серин-

Cерин фосфорная кислота)

Л и п о п р о т е и н ы - это сединения, состоящие из липидов и специфических белков, связанных между собой посредством гидро-фобных и электростатических взаимодействий. Из липидов в составе липопротеинов обнаружены ацилглицерины, жирные кислоты, фосфолипиды, холестерин и его эфиры.

Среди липопротеинов различают структурные (нерастворимые) и свободные (растворимые в воде). Структурные липопротеины входят в состав мембран клетки и ее структурных образований,оболочки нервных волокон и жировых шариков молока, пластид растительной клетки (хлоропластов) и др. Структурные липопротеины обеспечивают проницаемость мембран.

Свободные липопротеины содержатся в плазме крови, молоке, желтке яиц и др. Они занимают ключевое место в транспорте и обмене липидов. Наиболее изученными являются липопротеины крови.

Г л и к о п р о т е и н ы - белки, содержащие в качестве небелковой группы углеводы и их производные (галактозу, маннозу, аминосахара, олигосахариды, гетерополисахариды и др.) Углеводный и белковый компоненты в гликопротеинах соединены О или Nгликозидными связями. В образовании Огликозидных связей между углеводным компонентом и белком участвуют остатки серина, треонина, гидроксилизина и гидроксипролина. В образовании Nгликозидной углевод-белковой связи могут участвовать глюкозамины (или N-ацетилглюкозамины) и амидная группа аспарагина пептидной цепи. Углеводная часть в молекуле гликопротеина может составлять менее 1%, а может достигать 30% и более.

М е т а л л о п р о т е и н ы - сложные белки, в состав которых входят ионы какого-либо одного или нескольких металлов, соединенные с белковой частью посредством комплексной связи. Ионы металлов в металлопротеинах можно отделить от белка только при энергичном воздействии. К металлопротеинам относятся ф е р р и т и н, содержащий железо, ц е р у л о п л а з м и н и п о л и ф е н о л о к с и д а з а, содержащие медь, а м и л а з а, содержащая кальций и др.

Некоторые металлопротеины, особенно из группы ферментов, содержат в качестве простетической группы несколько различных веществ. Так, например, в сукцинатдегидрогеназе, наряду с производным флавина, содержится железо, ксантиноксидаза содержит производное флавина и молибден, алкогольдегидрогеназа - производные пиридина и цинк и т.д.

Н у к л е о п р о т е и н ы - это комплексы нуклеиновых кислот с белками. Они содержатся в каждой клетке и выполняют важнейшие специфические функции, связанные с хранением и реализацией генетической информации. Белковой составляющей нуклеопротеинов могут быть гистоны, протамины и так называемые негистоновые белки. Природа негистоновых белков пока не выяснена. Из нуклеиновых кислот в состав нуклеопротеинов входят дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) или рибонуклеиновая кислота (РНК).

Нуклеопротеины, содержащие ДНК называют дезоксирибонуклео-протеинами (ДНП), а содержащие РНК - рибонуклеопротеинами (РНП). 

К нуклеопротеинам относят вирусы - паразиты, способные проникать в клетку специфического хозяина и , размножаясь, вызывать заболевание. Вирусы в виде чистых препаратов (вне клетки хозяина) не способны к самовоспроизведению. 

ГЛАВА 3. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ

Нуклеиновым кислотам, как и белкам, принадлежит ведущая роль в явлениях жизни. Они являются генетическим материалом всех живых организмов и вирусов.



При нагревании с хлорной кислотой нуклеиновые кислоты распадаются на следующие типы веществ: пуриновые и пиримидиновые азотистые основания, пентозы и ортофосфорную кислоту.

Из пентоз в нуклеиновых кислотах обнаружены р и б о з а и д е з о к с и р и б о з а. В составе нуклеиновых кислот оба сахара находятся в -D-рибофуранозной форме:

5 5

ОН О СН₂ОН ОН О СН₂ОН



1 4 1 4

Н Н Н Н 

Н 2 3 Н Н 2 3 Н



ОН НО Н ОН

-D- Рибоза -D-2 Дезоксирибоза

Нуклеиновые кислоты, в зависимости от химической природы входящего в их состав сахара, делят на два типа: р и б о н у к л е и н о в ы е (РНК), содержащие рибозу, и д е з о к с и р и б о н у к л е и н о в ы е (ДНК), содержащие дезоксирибозу.

Пуриновые азотистые основания нуклеиновых кислот являются производными п у р и н а, молекула которого состоит из двух конденсированных колец: пиримидина и имидазола: - а д е н и н (А) и г у а н и н (Г):


NH₂ O 

 

6 N N N 

N1 5 7 N NH

8 

2 4 9 

3 N N N

N  N  H₂N N  

H H H

Пурин Аденин (А) Гуанин (Г) 


Пиримидиновые азотистые основания являются производными п и р и м и д и н а. Из пиримидиновых оснований в составе нуклеиновых кислот постоянно обнаруживают ц и т о з и н (Ц), у р а ц и л (У), т и м и н (Т):

NH₂ О O

4     

N3 5 N _CH₃

NH NH

2 6

1 O N O N O N

N    

H H H

Пиримидин Цитозин (Ц) Урацил (У) Тимин (Т)

Нуклеиновые кислоты отличаются друг от друга составом азотистых оснований. В состав ДНК входят аденин, гуанин, цитозин, тимин; в состав РНК - аденин, гуанин, цитозин, урацил. 

Входящая в состав нуклеиновых кислот ф о с ф о р н а я кислота, придает им свойства кислот.




Структурными компонентами нкулеиновых кислот являются нуклеотиды или мононуклеотиды.

Нуклеотиды состоят из трех компонентов: пуринового или пиримидинового основания, пентозы (рибозы или дезоксирибозы) и фосфорной кислоты. Сахар в нуклеотидах занимает среднее положение. При отщеплении от нуклеотида остатка фосфорной кислоты остается еще более простое соединение - н у к л е о з и д.

Примеры химического строения нуклетидов и нуклезидов приведены ниже. 

Нуклеотиды, содержащие рибозу, называют общим словом рибонуклеотиды, а содержащие дезоксирибозу - дезоксирибонуклеотиды. Названия отдельных нуклеозидов и нуклеотидов с указанием входящих в них азотистых оснований приведены в табл. 3.1. Следует отметить, что в названии нуклеотидов используют два подхода: их рассматривают как кислоты (например, адениловая кислота и др.) или как фосфорные эфиры (например, аденозинмонофосфат и др.).

В таблице приведены названия нуклеозидов и нуклеотидов, содержащих рибозу. В названии рибозных производных тимина часто употребляют приставку “рибо”: риботимидин, риботимидиловая


Таблица 3.1 Номенклатура нуклеозидов и нуклеотидов

кислота (риботимидинмонофосфат). Если в состав нуклеозида или нуклеотида входит дезоксирибоза, то перед полным названием каждого из них ставится приставка “дезокси”, а перед сокращенным названием - строчная буква “д”, например, дезоксиаденозин, дезоксиадениловая кислота (дезоксиаденозинмонофосфат, дАМФ).

Приводим примеры химического строения нуклеозидов и нуклеотидов, содержащих аденин и цитозин:


NH₂ NH₂

 