Аминокислоты и белки

Среди гетерофункциональных соединений, без преувеличения, необычайные возможности таят в себе аминокислоты. В результате поликонденсации по принципу матричного синтеза из них образуются молекулы белков, на которые возложены важнейшие функции жизнедеятельности: создание клеточных структур (мембранные белки, коллаген), сокращение мышц (миозин, актин), катализ реакций (тысячи ферментов), транспорт необходимых веществ (гемоглобин), защита организма от чужеродных молекул и клеток (иммуноглобулины), взаимное узнавание клеток (селектины) и др.

Как показывает название, в молекуле аминокислоты обязательно присутствует кислотная группа -СООН и аминогруппа -ЫН₂. Простейшую аминокислоту можно получить действием аммиака на хлоруксусную кислоту:

Систематическое название получающегося вещества — аминоэтановая кислота, ее называют также аминоуксусной кислотой. В белках она фигурирует йод названием глицин. По внешнему виду это белое кристаллическое вещество (£_пл = 233°С), растворимое в воде и образующее нейтральный раствор. Глицин совершенно не похож па монофункциональные вещества с тем же числом атомов углерода. Этиламин представляет собой хорошо растворимое газообразное вещество, создающее в растворе щелочную среду, а уксусная кислота — неограниченно растворимая жидкость с кислотными свойствами. Свойства глицина являются прямым следствием сочетания обеих противоположных по свойствам функциональных групп в одной молекуле. В молекуле глицина происходит внутренняя нейтрализация — перенос протона от карбоксила к аминогруппе:

Образуются катион и анион, объединенные в биполярный ион через группу СН₂. В кристаллической структуре действует сильное притяжение между противоположно заряженными полюсами окружающих молекул. Молекулярная структура приобретает сходство с ионной, от чего и происходит сильное повышение температуры плавления. В растворе глицина устанавливается равновесие между биполярными ионами и молекулами, но при этом доля молекул составляет менее 0,001%. Зависимость свойств аминокислоты от переноса протона внутри молекулы становится особенно очевидной, когда аминокислоту этерифицируют:

Образующийся эфир оказывается летучим веществом (£_кнп= 130°С), так как он не имеет подвижного протона в карбоксильной группе и не ионизируется.

Очевидно, что аминокислоты — вещества амфотерные. Внутренняя нейтрализация не устраняет кислотные и основные свойства. При реакциях с кислотами роль основания играет остаток карбоксильной группы, а при реакциях со щелочами роль кислоты играет аммонийная группа:

Молекулы как разных аминокислот, так и одной аминокислоты вступают в реакцию конденсации:

Сущность конденсации в данном случае заключается в замещении водорода в аминогруппе одной молекулы и гидроксогруппы в карбоксиле другой молекулы. Получается вещество, называемое дипептидом. При этом обе молекулы соединяются с помощью группы атомов

Эту группу называют пептидной, а также амидной группой, а связь С-К — пептидной связью. С помощью пептидных связей аминокислот! соединяются в молекулы белков. Амидная связь присутствует также в синтетических полимерных волокнах, гак и называемых полиамидами.

На примере конденсации глицина видно, что эта реакция идет с затратой работы, и поэтому образование белка невозможно без механизма пере дачи энергии от молекул с энергоемкими связями (АТФ). Гидролиз бел ко идет самопроизвольно, но без участия ферментов скорость гидролиза практически нулевая.

Аминокислоты представляют собой обширный класс соединений с разными углеродными структурами, различным положением функциональных групп, энантиомерией. Наибольший интерес представляют белковы аминокислоты. Число их невелико — всего 20. Все белковые аминокислот! имеют аминогруппу в а-гтоложении относительно карбоксила. Поэтому и: можно представить общей формулой

Между собой эти аминокислоты различаются только радикалами К. У глицина Я = Н. В табл. 22.8 приведены некоторые из белковых аминокислот. Из таблицы очевидно, что радикал также может содержать функциональную группу. Типичные свойства аминокислот определяются всеми имеющимися функциональными группами.

Таблица 22.8

Некоторые а-аминокислоты, образующие белки

Пример 22.22. Среди аминокислот, имеющихся в таблице, укажите по одной аминокислоте, которые создают в растворах кислую и щелочную среду. Напишите обратимые реакции диссоциации.

Решение. В составе глутаминовой кислоты две карбоксильные группы, одна из которых сохраняется при переходе в биполярный ион. В растворе она ионизируется и создает кислую среду:

В молекуле лизина две аминогруппы. Одна из них сохраняется в биполярном ионе кислоты и реагирует с молекулой воды. При этом создается щелочная среда:

Белки. По химическому составу белки представляют собой продукты поликонденсации аминокислот — полипептиды. В составе белков есть химические элементы углерод, водород, азот, кислород и сера. Белки, состоящие только из полипептидных цепей, называются простыми. В составе белков часто присутствуют дополнительные атомы (ионы металлов) и атомные группы (остатки фосфорной кислоты, производные углеводов, жиров и др.). Такие белки называются сложными.

Белки принципиально отличаются от обычных веществ по способу образования молекул. Поликонденсация аминокислот происходит в рибосомах клеток на особых матрицах РНК. Этим обеспечивается очень быстрое — на протяжении считанных секунд — образование молекулы белка из сотен молекул аминокислот с точно воспроизводимой последовательностью. Традиционными химическими методами получить белок заданною состава и строения почти невозможно. Промышленный способ получения многих белков основан на использовании культур микроорганизмов, синтезирующих эти белки. Эта отрасль промышленности называется микробиологической.

Продукты поликонденсации аминокислот имеют общее название полипептиды. Белками считаются полипептиды с молекулярной массой М_г> 10 000, т.е. высокомолекулярные полипептиды. Эта молекулярная масса соответствует наличию в молекуле около 90 остатков аминокислот. Полипептиды, не достигающие размеров белковых молекул, гоже имеют важное биологическое значение. Одно из веществ этого типа — инсулин, регулирующий концентрацию глюкозы в крови и состоящий из 51 остатка аминокислот.

Первоначальные знания о составе белков были получены на основе их элементного анализа. Потом были разработаны методы аминокислотного анализа, основанного на постепенном гидролизе молекулы белка. Способность некоторых белков образовывать кристаллы позволила провести их рентгеноструктурный анализ, определить координаты каждого атома в молекуле и полностью понять ее структуру.

Структура молекул полипептидов и белков характеризуется прежде всего последовательностью соединения аминокислотных остатков. Эти полимерные цепи записывают буквенными обозначениями аминокислот (см. табл. 22.8). Последовательность аминокислотных остатков в молекуле белка называют первичной структурой. Она поддерживается пептидными связями между остатками аминокислот.

Следующий вопрос заключается в пространственной конфигурации белковой цепи. Между атомом кислорода одной пептидной группы и водородом другой возникает водородная связь. Благодаря этому в одних белках оказывается выгодным спиральное закручивание цепи, а в других — зигзагообразное складывание цепи. Первые белки — глобулярные, а вторые — фибриллярные, образующие волокна. В белковой а-спирали (рис. 22.6) на один виток приходится 3,6 аминокислотных остатков и вдвое

больше водородных связей (показаны пунктирными линиями). Радикалы остатков направлены наружу.

Рис. 22.6. Схема участка спирали молекулы белка

Спиральная или складчатая конфигурация полипептидной цепи рассматривается как вторичная структура белка. Она стабилизируется водородными связями.

Спираль тоже представляет собой гибкий объект. Она сворачивается в клубок или глобулу (от лат. "globulus" — шарик), причем оптимальное взаимное расположение участков спирали закрепляется образованием дополнительных химических связей. Часто между участками пептидной цепи образуются дисульфидныые мостики в результате окисления остатков цистеина, расположенных в разных участках пептидной цепи:

Конфигурацию белковой спирали в глобуле рассматривают как третичную структуру белка. Она стабилизируется различными видами связей между удаленными участками цепи.

Известно очень много белков, молекулы которых состоят из нескольких пептидных цепей. В гемоглобине имеются четыре цепи, к каждой из которых присоединена особая циклическая группировка с атомом железа — гем. Эти цени, свернутые в глобулы и соединенные дополнительными связями, образуют единую молекулу. В более простом пептиде инсулине также имеются две отдельные цени из 21 и 30 остатков аминокислот. Они соединены между собой двумя дисульфидными мостиками.

Объединение нескольких полипептидных цепей в одной молекуле и их конфигурацию называют четвертичной структурой белка.

Растворимость и химические свойства белков определяются общим набором аминокислотных остатков, порядком их соединения в цепи и конфигурацией цепи (цепей). Нам известны такие растворимые в воде белки, как белок куриного яйца (яичный альбумин) и гемоглобин. К нерастворимым белкам принадлежит кератин волос. Растворимость зависит от количества гидрофильных (полярных) радикалов на поверхности белковой глобулы или фибриллы. Соли могут понижать растворимость белков (высаливающее действие). Третичная и четвертичная структуры белка легко перестраиваются при термическом воздействии. Меняется конформация глобулы, могут возникать новые связи между радикалами. Такого рода изменения белка называют денатурированием. Белок может превратиться в сетчатый полимер с утратой признаков раствора (вспомним изменения при варке яйца). Белки-ферменты по тем же причинам теряют активность в интервале, как правило, от 40 до 50°С.

Молекула белка содержит не только концевые группы -СООН и -МН₂, но и такие же группы в радикалах аминокислот. Поэтому белки являются амфотерными полиэлектролитами. Число и знак зарядов на молекуле белка зависят от pH среды. Эта зависимость особенно заметно проявляется в изменении активности ферментов.

Белки реагируют со многими неорганическими и органическими веществами. Если при этом образуются окрашенные продукты, то реакция может использоваться для доказательства наличия белка в той или иной пробе. Соли меди в щелочной среде дают с белками фиолетовое окрашивание. Ион меди при этом присоединяется к пептидной группе. Азотная кислота нитрует ароматические радикалы аминокислотных остатков, давая продукты желтого цвета. Желтое пятно остается на руке после попадания азотной кислоты. Иногда на кожу наносят нитрат серебра (ляпис). Серебро соединяется с серой цистеина, образуя бурое пятно. Аналогично ведут себя ионы ртути, свинца и таллия. Перечисленные металлы потому и оказываются токсичными, что их ионы соединяются с серой белков, изменяя этим свойства молекулы.

Особенно выдающееся химическое свойство белков заключается в их каталитическом действии. Биохимические реакции образования и гидролиза биополимеров и сложных эфиров, окисления и восстановления органических веществ, изомеризация, перенос функциональных групп, фотосинтез и т.д. неизменно идут с участием ферментов. На каждую необходимую живому организму реакцию находится свой фермент, существующий во множестве разновидностей в соответствии с физиологическими особенностями того или иного биологического вида. Некоторые реакции, с большим трудом осуществляемые в неорганической химии, например, восстановление азота Ы₂, идут в клетках при участии ферментов.