Коротко о белках — часть 1

Одна из Нобелевских премий в области химии была присуждена за такую ​​модификацию электронной микроскопии, позволяющую визуализировать белки этим методом. Хотя вердикт Нобелевского комитета был спорным, а электронная микроскопия — это скорее область физики, химик должен знать о белках больше, чем о других.

Бялка представляет собой настоящую тему-реку – даже если бы она была посвящена им, не было бы возможности представить вопросы структуры, функции, истории и сегодняшнего дня исследования. Поэтому, пожалуйста, относитесь к этой статье только как к очень краткому изложению уникальной группы органических соединений.

Жизнь – это форма существования белка

«Старые техники» в названии этой главы узнают отрывок из текста Агнешки Осецкой, спетый сначала как «Урок физики», а затем как хит Скальда «No Satan». Хотя нуклеиновые кислоты управляют клеткой, не будет преувеличением сказать, что белок = жизнь. ДНК в ядре клетки можно сравнить с мозгом, РНК — с руками, а белки, вырабатываемые последним соединением, — со специализированными инструментами и упаковкой для кислот. Таким образом, белки:

• строительный материал (кератин кожи или коллаген соединительной ткани),
• транспорт (гемоглобин крови),
• хранение (ферритин, который хранит запасы железа),
• движение (мышечный миозин),
• защита (антитела),
• регуляция (гормоны),
• химические реакции (ферменты).

Любой специалист (биолог, диетолог, врач) мог бы долго говорить о белках, но давайте рассмотрим их (см. иллюстрацию в начале статьи).

…Глазами химика.

Для химика белки — это полимеры (или собственно поликонденсаты, так как при их образовании выделяется побочный продукт — вода); однако давайте придерживаться общепринятого определения соединений, состоящих из множества более мелких молекул), построенных из аминокислот, связанных с друг друга пептидными связями. Подробно об аминокислотах я напишу в следующем месяце, сейчас просто посмотрим на схему создания связей между ними (R₁ и R₂ фрагменты молекул, не участвующие в реакции):

Часть посередине (-CO-NH-) как раз и есть пептидная связь. Оба конца, как с амино (N-конец), так и с карбоксильной (С-конец) группами, могут участвовать в дальнейших реакциях, удлиняя молекулу. Белки представляют собой цепочки, содержащие не менее ста аминокислот, меньшая из которых представляет собой пептид.

Белки представляют собой молекулы большого размера, например, фермент гексокиназа (справа для сравнения молекул АТФ и глюкозы).

Все аминокислоты состоят из углерода, водорода, кислорода и азота. Эти элементы — и сера, содержащиеся в метионине и цистеине — встречаются во всех белках. Кроме них, в минимальных количествах белки содержат также фосфор и ионы некоторых металлов. Эти элементы образуются не из аминокислот, а из дополнительных групп, модифицирующих свойства белков. Весовой состав среднего белка таков: 53 % углерода, 23 % кислорода, 16 % азота, 7 % водорода и 1 % серы. Конечно, отдельные белки отклоняются от заданного среднего значения, иногда весьма значительного.

Все дело в структуре

В процессе биосинтеза белка аминокислоты сначала соединяются друг с другом, и важен их порядок. Например: глицин и аланин (в скобках аббревиатуры названий и формул) 

Две простейшие белковые аминокислоты — глицин слева и аланин справа.

в реакции они будут образовывать не один продукт, а два:

Сокращения, написанные под формулами, означают, что в левом соединении на N-конце будет глицин, а в С-конце — аланин (в правом — наоборот). Эти два соединения обладают разными свойствами: GA — это не то же самое, что AG (используя однобуквенные обозначения). При добавлении к этой паре третьей аминокислоты, например валина (Val или V), уже образуются шесть соединений: GAV, AGV, GVA, AVG, VGA, VAG (каждая аминокислота берется только один раз). Если вы вспомните, что белковая молекула может содержать несколько сотен или даже более тысячи аминокислот нескольких разных типов, то заметите, что количество соединений, которые можно получить, поистине астрономическое — оно превышает количество атомов во Вселенной, подсчитанное в скромных 10⁸⁰. Порядок расположения аминокислот в белке называется его последовательностьили структура первого ряда.

У «юного техника» тоже есть свой пептид: метионин (слева) в сочетании с треонином — Met-Thr или сокращенно МТ.

Модель альфа-спирали белка (для лучшей визуализации структуры фрагмент выполнен из глицина, атомы водорода опущены).

Ни один белок не существует в виде прямой цепочки аминокислот. Цепи закручиваются, и результатом этого процесса может быть спираль (альфа-спираль), лист, свернутый в гармошку (бета-лист), или петля (цепочка аминокислот закручивается, как свернутый кабель). Образующиеся структуры скрепляются различными типами взаимодействий между фрагментами молекул аминокислот, иногда весьма удаленными друг от друга в цепи. Скручивание цепи есть XNUMX-рядная структура белки.

Но это не останавливаться на достигнутом. Скрученные цепочки аминокислот повторно переплетаются друг с другом, создавая трехмерные структуры. Именно такая степень сложности белка — XNUMX-рядная структура — это обычно определяет их биологические свойства. Помните, однако, что это всего лишь производная последовательности аминокислот в цепи. Если в процессе биосинтеза произойдет ошибка (например, в ряд будет вставлена ​​неправильная аминокислота), цепь не сложится должным образом в структуру второго порядка, и тогда она не сформирует пространственную структуру. Кроме того, генетические мутации (то есть дефектная формула последовательности аминокислот) обычно приводят к образованию неактивных или биологически вредных белков. Некоторые белки (например, гемоглобин) состоят из нескольких отдельных пространственных структур, тогда говорят о структура четвертого ряда. Структуры как третьего, так и четвертого порядка часто содержат небелковые компоненты — другие органические соединения или ионы металлов, которые эффективно изменяют свою форму. Многие из этих дополнительных ингредиентов являются витаминами или незаменимыми минералами, поэтому их влияние на здоровье человека становится понятным (дефицит блокирует действие белков).

Белки существуют в двух основных типах пространственных структур. Первый глобулярные белкиприблизительно сферической формы. Они водорастворимы и действуют как ферменты, антитела, гормоны и переносчики. Второй вид фибриллярные белки в виде волокон. Они нерастворимы в воде и составляют строительный материал организмов (кожи, органов, клеточных структур, мышц). Связующие силы, ответственные за образование тех или иных типов структур, ослабевают по мере усложнения их. В случае структуры первого порядка это обычные, сильные связи между атомами, а для структур высшего порядка — очень слабые взаимодействия между фрагментами молекулы. Поэтому их довольно легко сломать, лишив белок биологической активности.

Что разрушает фермент?

Пришло время для эксперимента. «Подопытным кроликом» будет протеин каталаза, то есть один из ферментов. Каталаза расщепляет перекись водорода, а поскольку она присутствует практически во всех живых организмах, достать ее не составит труда. Очистите небольшой картофель и натрите его. Вылить картофельную массу в форму 100-200 см.³ холодной воды и перемешать. После того, как осадок выпадет на дно, слить жидкость над ним и лучше сразу использовать для теста (если откладываете эксперимент, поставьте раствор в холодильник).

Подготовьте четыре пробирки и пронумеруйте их. Насыпать в них по 5-10 см.³ экстракт картофеля. Первый оставьте в качестве контрольного образца, а второй нагревайте до кипения около минуты. Налейте 1-2 см в один из других³ раствор ЭДТА (эдетовая кислота или ее натриевая соль), а к другому такой же объем растворимой соли ртути (II) или свинца (II) с концентрацией около 5%.

Не забывайте быть предельно осторожными, экспериментируя с этими металлическими соединениями!

Поместите пробирки в штатив, а затем поставьте его на поднос. Теперь налейте в каждую из них по 1-2 см.³ перекись водорода (3% раствор H.₂O₂). В первой пробирке происходит турбулентная реакция, и образовавшаяся пена вытекает из сосуда (вы, наверное, уже знаете, почему я посоветовал вам экспериментировать на подносе). С другой стороны, в других пробирках признаков реакции нет.

Каталаза — это белок, поэтому высокая температура вызывала необратимое изменение структуры молекулы (белок просто кипятился) и потерю каталитических способностей. ЭДТА соединилась с ионом железа, находящимся в центре фермента, и, таким образом, заблокировала его — тот же эффект, что и выше. В свою очередь, ионы тяжелых металлов изменили структуру всей молекулы, также сделав фермент неактивным. Необратимое изменение структуры белка, приводящее к потере его активности. денатурация.

Если вы не хотите выжимать сок из картофеля (так получается раствор каталазы) или замачивать натертый картофель в воде, вы также можете провести этот эксперимент. Выберите большую картофелину и разрежьте ее пополам. Проведите опыты на удаленных друг от друга частях клубня. Запеките один фрагмент, положив на него раскаленную стальную или медную пластину. Выделенный фрагмент сбрызните раствором ЭДТА, а другой — солями тяжелых металлов (картошка уже не будет пригодна к употреблению). Теперь налейте на поверхность перекись водорода. Вы будете наблюдать пенообразование только в том фрагменте, который не нагревали и не заливали растворами.

Опыт работы с каталазой картофеля. В пробирке 1 происходит турбулентное разложение перекиси водорода. В пробирках 2 (предварительно нагретое до кипения содержимое), 3 (ЭДТА) и 4 (соли ртути) признаков реакции не обнаружено.

Фиолетовая денатурация

Раствор яичного белка (слева) и положительный биуретовый тест (справа).

Разбейте яйцо и отделите желток от белка. Растворите столовую ложку последнего в половине стакана воды. Насыпать 5-10 см.³ белкового раствора в пробирку и добавить несколько см³ раствор гидроксида натрия NaOH, а затем синяя окраска раствора сульфата меди (II) CuSO₄. В пробирке появляется фиолетовая окраска, а при более высокой концентрации белка – еще и «нарост» денатурированного органического вещества. Полученный опыт биуретовый тест.

Реакция характерна для белков и пептидов и обнаруживает наличие пептидных связей рядом друг с другом, разделенных не более чем одним атомом углерода. Затем образуется комплекс меди (II) фиолетового цвета. В случае низкой концентрации белков осадка не происходит, а изменяется только цвет раствора. Образец используется, в частности, в в медицинском анализе для обнаружения белков в жидкостях организма (интенсивность окраски пропорциональна их концентрации). Название теста происходит от простейшего строения соединения, дающего положительный результат, — бюретки. Это общее название бимочевины (лат. = ди, = мочевина), соединения, образующегося при конденсации двух молекул мочевины.

Температура и соли тяжелых металлов — не единственные факторы, вызывающие денатурацию белков. Поэтому не будет преувеличением сказать, что с белком следует обращаться так же, как с пресловутым яйцом.