Амінокислотами називаються карбонові кислоти, що містять аміногрупу та карбоксильну групу. Природні амінокислоти є 2-амінокарбоновими кислотами, або α-амінокислотами, хоча існують такі амінокислоти як β-аланін, таурин, γ-аміномасляна кислота. Узагальнена формула α-амінокислоти виглядає так:
У α-амінокислот при 2 атомі вуглецю є чотири різних замісники, тобто всі α-амінокислоти, крім гліцину, мають асиметричний (хіральний) атом вуглецю і існують у вигляді двох енантіомерів - L-і D-амінокислот. Природні амінокислоти відносяться до L-ряду. D-амінокислоти зустрічаються в бактеріях та пептидних антибіотиках.
Усі амінокислоти у водних розчинах можуть існувати у вигляді біполярних іонів, причому їхній сумарний заряд залежить від рН середовища. Розмір рН, коли він сумарний заряд дорівнює нулю, називається изоэлектрической точкою. В ізоелектричній точці амінокислота є цвіттер-іоном, тобто амінна група у неї протонована, а карбоксильна - дисоційована. У нейтральній ділянці рН більшість амінокислот є цвіттер-іонами:
Амінокислоти не поглинають світло у видимій ділянці спектру, ароматичні амінокислоти поглинають світло в УФ області спектра: триптофан і тирозин при 280 нм, фенілаланін – при 260 нм.
Для амінокислот характерні деякі хімічні реакції, що мають велике значення для лабораторної практики: кольорова нінгідринова проба на α-аміногрупу, реакції, характерні для сульфгідрильних, фенольних та інших груп радикалів амінокислот, ацелювання та утворення основ Шиффа по аміногрупах, етерифікація.
Біологічна роль амінокислот:
1) є структурними елементами пептидів та білків, так звані протеїногенні амінокислоти. До складу білків входять 20 амінокислот, які кодуються генетичним кодом і включаються в білки в процесі трансляції, деякі з них можуть бути фосфориловані, ацильовані або гідроксильовані;
2) можуть бути структурними елементами інших природних сполук – коферментів, жовчних кислот, антибіотиків;
3) є сигнальними молекулами. Деякі з амінокислот є нейромедіаторами або попередниками нейромедіаторів, гормонів та гістогормонів;
4) є найважливішими метаболітами, наприклад, деякі амінокислоти є попередниками алкалоїдів рослин, або є донорами азоту, або є життєво важливими компонентами харчування.
Класифікація протеїногенних амінокислот заснована на будові та на полярності бічних ланцюгів:
1. Аліфатичні амінокислоти:
Гліцин, глі, G, Gly
Аланін, ала, А, Ala
Валін, вал, V, Val*
Лейцин, лей, L, Leu *
Ізолейцин, мулі, I, Ile*
Ці амінокислоти не містять у боковому ланцюзі гетероатомів, циклічних угруповань і характеризується чітко вираженою низькою полярністю.
Цистеїн, цис, C, Cys
Метіонін, мет, M, Met*
3. Ароматичні амінокислоти:
Фенілаланін, фен, F, Phe *
Тирозін, тир, Y, Tyr
Триптофан, три, W, Trp *
Гістидин, гіс, H, His
Ароматичні амінокислоти містять мезомерні резонансно стабілізовані цикли. У цій групі лише амінокислота фенілаланін виявляє низьку полярність, тирозин та триптофан характеризуються помітною, а гістидин – навіть високою полярністю. Гістидин може бути віднесений також до основних амінокислот.
4. Нейтральні амінокислоти:
Серін, сір, S, Ser
Треонін, тре, T, Thr *
Аспарагін, асн, N, Asn
Глутамін, глн, Q, Gln
Нейтральні амінокислоти містять гідроксильні або карбоксамідні групи. Хоча амідні групи неіоногенні, молекули аспарагіну та глутаміну високо полярні.
5. Кислі амінокислоти:
Аспарагінова кислота (аспартат), асп, D, Asp
Глутамінова кислота (глутамат), глу, E, Glu
Карбоксильні групи бічних ланцюгів кислих амінокислот повністю іонізовані у всьому діапазоні фізіологічних значень рН.
6. Основні амінокислоти:
Лізін, л з, K, Lys*
Аргінін, арг, R, Arg
Бічні ланцюги основних амінокислот повністю протоновані в нейтральній ділянці рН. Основною і дуже полярною амінокислотою є аргінін, що містить гуанідинове угруповання.
7. Імінокислота:
Пролін, про, P, Pro
Бічний ланцюг проліну складається з п'ятичленного циклу, що включає -вуглецевий атом і -аміногрупу. Тому пролін, строго кажучи, не аміно-, а иминокислотой. Атом азоту в кільці є слабкою основою та не протонується при фізіологічних значеннях рН. Завдяки циклічній структурі пролін викликає вигини поліпептидного ланцюга, що дуже суттєво для структури колагену.
Деякі з перерахованих амінокислот не можуть синтезуватись в організмі людини і повинні надходити разом із їжею. Це незамінні амінокислоти відмічені зірочками.
Як було зазначено вище, протеїногенні амінокислоти є попередниками деяких цінних біологічно активних молекул.
Два біогенні аміни β-аланін та цистеамін входять до складу коферменту А (коферменти – похідні водорозчинних вітамінів, що утворюють активний центр складних ферментів). β-Аланін утворюється шляхом декарбоксилювання аспарагінової кислоти, а цистеамін шляхом декарбоксилювання цистеїну:
β-аланін цистеамін
Залишок глутамінової кислоти входить до складу іншого коферменту - тетрагідрофолієвої кислоти, похідного вітаміну В с.
Іншими біологічно цінними молекулами є кон'югати жовчних кислот із амінокислотою гліцином. Ці кон'югати є сильнішими кислотами, ніж базові, утворюються у печінці та присутні у жовчі у вигляді солей.
Глікохолева кислота
Протеїногенні амінокислоти є попередниками деяких антибіотиків – біологічно активних речовин, що синтезуються мікроорганізмами та пригнічують розмноження бактерій, вірусів та клітин. Найбільш відомими з них є пеніциліни та цефалоспорини, що становлять групу β-лактамних антибіотиків і продукують пліснявою роду. Penicillium. Для них характерна наявність у структурі реакційноздатного β-лактамного кільця, за допомогою якого вони пригнічують синтез клітинних стінок грамнегативних мікроорганізмів.
Загальна формула пеніцилінів
З амінокислот шляхом декарбоксилювання виходять біогенні аміни – нейромедіатори, гормони та гістогормони.
Амінокислоти гліцин та глутамат самі по собі є нейромедіаторами у центральній нервовій системі.
дофамін (нейромедіатор) норадреналін (нейромедіатор)
адреналін (гормон) гістамін (медіатор та гістогормон)
серотонін (нейромедіатор та гістогормон) ГАМК (нейромедіатор)
Тироксин (гормон)
Похідним амінокислоти триптофану є найбільш відомий з ауксин, що зустрічаються в природі, – індолілоцтова кислота. Ауксини – це регулятори росту рослин, вони стимулюють диференціювання зростаючих тканин, зростання камбію, коренів, прискорюють ріст плодів та опадіння старого листя, його антагоністами є абсцизова кислота.
Індолілоцтова кислота
Похідними амінокислот також є алкалоїди - природні азотовмісні сполуки основного характеру, що утворюються в рослинах. Дані сполуки є виключно активними фізіологічними сполуками, які широко використовуються в медицині. Прикладами алкалоїдів можуть служити похідне фенілаланіну папаверин, ізохіноліновий алкалоїд маку снодійного (спазмолітик), і похідне триптофану фізостигмін, індольний алкалоїд з калабар-ських бобів (антихолінестеразний препарат):
папаверин фізостигмін
Амінокислоти є надзвичайно популярними об'єктами біотехнології. Існує безліч варіантів хімічного синтезу амінокислот, однак у результаті виходять рацемати амінокислот. Так як для харчової промисловості та медицини придатні тільки L-ізомери амінокислот, рацемічні суміші необхідно розділяти на енантіомер, що представляє серйозну проблему. Тому популярніший біотехнологічний підхід: ферментативний синтез за допомогою іммобілізованих ферментів і мікробіологічний синтез за допомогою цілих мікробних клітин. В обох останніх випадках виходять чисті L-ізомери.
Амінокислоти використовуються як харчові добавки та компоненти кормів. Глутамінова кислота посилює смак м'яса, валін та лейцин покращують смак хлібобулочних виробів, гліцин та цистеїн використовуються як антиоксиданти при консервуванні. D-триптофан може бути замінником цукру, так як у багато разів його солодший. Лізин додають у корм сільськогосподарським тваринам, оскільки більшість рослинних білків містить невелику кількість незамінної амінокислоти лізину.
Амінокислоти широко використовуються у медичній практиці. Це такі амінокислоти як метіонін, гістидин, глутамінова та аспарагінова кислоти, гліцин, цистеїн, валін.
В останнє десятиліття амінокислоти почали додавати в косметичні засоби догляду за шкірою і волоссям.
Хімічно модифіковані амінокислоти також широко використовуються в промисловості як поверхнево-активні речовини в синтезі полімерів, при виробництві миючих засобів, емульгаторів, добавок до палива.
БІЛКИ
Білки - це високомолекулярні речовини, що складаються з амінокислот, з'єднаних пептидним зв'язком.
Саме білки є продуктом генетичної інформації, що передається з покоління в покоління, та здійснюють усі процеси життєдіяльності у клітині.
Функції білків:
1. Каталітична функція. Найбільш численну групу білків становлять ферменти – білки з каталітичною активністю, що прискорюють хімічні реакції. Прикладами ферментів є пепсин, алкогольдегідрогеназа, глутамінсинтетаза.
2. Структуротворча функція. Структурні білки відповідають за підтримання форми і стабільності клітин і тканин, до них відносяться кератини, колаген, фіброїн.
3. Транспортна функція. Транспортні білки переносять молекули або іони з одного органу в інший або через мембрани всередині клітини, наприклад гемоглобін, сироватковий альбумін, іонні канали.
4. Захисна функція. Білки системи гомеостазу захищають організм від збудників хвороб, чужорідної інформації, втрати крові – імуноглобуліни, фібриноген, тромбін.
5. Регуляторна функція. Білки здійснюють функції сигнальних речовин – деяких гормонів, гістогормонів та нейромедіаторів, є рецепторами до сигнальних речовин будь-якої будови, забезпечують подальшу передачу сигналу в біохімічних ланцюгах ланцюга клітини. Прикладами можуть бути гормон росту соматотропін, гормон інсулін, Н- і М-холінорецептори.
6. Двигуна функція. За допомогою білків здійснюються процеси скорочення та іншого біологічного руху. Прикладами можуть бути тубулін, актин, міозин.
7. Запасна функція. У рослинах містяться запасні білки, які є цінними харчовими речовинами, в організмах тварин м'язові білки є резервними поживними речовинами, які мобілізуються за крайньої необхідності.
Для білків характерним є кілька рівнів структурної організації.
Первинною структуроюбілка називають послідовність амінокислотних залишків поліпептидної ланцюга. Пептидна зв'язок – це карбоксамідна зв'язок між α-карбоксильною групою однієї амінокислоти та α-аміногрупою іншої амінокислоти.
Аланілфенілаланілцистеілпролін
У пептидного зв'язку є кілька особливостей:
а) вона резонансно стабілізована і тому перебуває практично на одній площині – планарна; обертання навколо зв'язку С-N вимагає великих витрат енергії та утруднене;
б) у зв'язку -CO-NH- особливий характер, вона менша, ніж звичайна, але більше, ніж подвійна, тобто існує кето-єнольна таутомерія:
в) заступники стосовно пептидного зв'язку перебувають у транс-положенні;
г) пептидний кістяк оточений різноманітними за своєю природою бічними ланцюгами, взаємодіючи з навколишніми молекулами розчинника, вільні карбоксильні та аміногрупи іонізуються, утворюючи катіонні та аніонні центри молекули білка. Залежно від їхнього співвідношення білкова молекула отримує сумарний позитивний чи негативний заряд, і навіть характеризується тим чи іншим значенням рН середовища при досягненні изоэлектрической точки білка. Радикали утворюють сольові, ефірні, дисульфідні містки всередині молекули білка, і навіть визначають коло реакцій, властивих білкам.
В даний час умовилися вважати білками полімери, що складаються зі 100 і більше амінокислотних залишків, поліпептидами – полімери, що складаються з 50-100 амінокислотних залишків, низькомолекулярними пептидами – полімери, що складаються з менш ніж 50 амінокислотних залишків.
Деякі низькомолекулярні пептиди відіграють самостійну біологічну роль. Приклади деяких пептидів:
Глутатіон - γ-глу-цис-глі - один з найбільш поширених внутрішньоклітинних пептидів, бере участь в окислювально-відновних процесах в клітинах і переносі амінокислот через біологічні мембрани.
Карнозин – β-ала-гіс – пептид, що міститься у м'язах тварин, усуває продукти перекисного розщеплення ліпідів, прискорює процес розпаду вуглеводів у м'язах та у вигляді фосфату залучається до енергетичного обміну у м'язах.
Вазопресин - гормон задньої частки гіпофіза, що бере участь у регуляції водного обміну організму:
Фалоїдин – отруйний поліпептид мухомору, у нікчемних концентраціях викликає загибель організму внаслідок виходу ферментів та іонів калію з клітин:
Граміцидин – антибіотик, що діє на багато грампозитивних бактерій, змінює проникність біологічних мембран для низькомолекулярних сполук і викликає загибель клітин:
Міт-енкефалін - тир-глі-глі-фен-мет - пептид, що синтезується в нейронах і послаблює больові відчуття.
Вторинна структура білка- Це просторова структура, що утворюється в результаті взаємодій між функціональними групами пептидного кістяка.
Пептидна ланцюг містить безліч СО-і NH-груп пептидних зв'язків, кожна з яких потенційно здатна брати участь в утворенні водневих зв'язків. Існують два головні типи структур, які дозволяють це здійснити: α-спіраль, в яку ланцюг згортається як шнур від телефонної трубки, і складчаста β-структура, в якій поруч укладені витягнуті ділянки одного або декількох ланцюгів. Обидві ці структури дуже стабільні.
α-Спіраль характеризується гранично щільною упаковкою скрученого поліпептидного ланцюга, на кожен виток правозакрученої спіралі припадає 3,6 амінокислотних залишків, радикали яких спрямовані завжди назовні і трохи назад, тобто на початок поліпептидного ланцюга.
Основні характеристики α-спіралі:
1) α-спіраль стабілізується водневими зв'язками між атомом водню при азоті пептидної групи та карбонільним киснем залишку, що віддаляється від даного вздовж ланцюга на чотири позиції;
2) в освіті водневого зв'язку беруть участь усі пептидні групи, це забезпечує максимальну стабільність α-спіралі;
3) в освіті водневих зв'язків залучені всі атоми азоту та кисню пептидних груп, що значною мірою знижує гідрофільність α-спіральних областей та збільшує їхню гідрофобність;
4) α-спіраль утворюється мимовільно і є найбільш стійкою конформацією поліпептидного ланцюга, що відповідає мінімуму вільної енергії;
5) у поліпептидному ланцюгу з L-амінокислот права спіраль, що зазвичай виявляється в білках, набагато стабільніше лівої.
Можливість утворення -спіралі обумовлена первинною структурою білка. Деякі амінокислоти перешкоджають закручування пептидного кістяка. Наприклад, розташовані поруч карбоксильні групи глутамату та аспартату взаємно відштовхуються один від одного, що перешкоджає утворенню водневих зв'язків у α-спіралі. З цієї причини утруднена спіралізація ланцюга у місцях близько розташованих друг до друга позитивно заряджених залишків лізину і аргініну. Проте найбільшу роль порушення α-спіралі грає пролін. По-перше, в пролині атом азоту входить до складу жорсткого кільця, що перешкоджає обертанню навколо зв'язку N-C, по-друге, пролін не утворює водневий зв'язок через відсутність водню при атомі азоту.
β-складчастість – це шарувата структура, що утворюється водневими зв'язками між лінійно розташованими пептидними фрагментами. Обидва ланцюги можуть бути незалежними або належати до однієї молекули поліпептиду. Якщо ланцюги орієнтовані одному напрямку, то така β-структура називається паралельної. У разі протилежного напрямку ланцюгів, тобто коли N-кінець одного ланцюга збігається з С-кінцем іншого ланцюга, β-структура називається антипаралельною. Енергетично краща антипаралельна β-складчастість з майже лінійними водневими містками.
паралельна β-складчастість антипаралельна β-складчастість
На відміну від α-спіралі, насиченої водневими зв'язками, кожна ділянка ланцюга β-складчастості відкрита для утворення додаткових водневих зв'язків. Бічні радикали амінокислот орієнтовані майже перпендикулярно до площини листа поперемінно вгору і вниз.
У тих ділянках, де пептидний ланцюг згинається досить круто, часто знаходиться β-петля. Це короткий фрагмент, в якому 4 амінокислотні залишки згинаються на 180 про стабілізуються одним водневим містком між першим і четвертим залишками. Великі амінокислотні радикали заважають утворенню β-петлі, тому до неї найчастіше входить найменша амінокислота гліцин.
Надвторинна структура білка– це певний специфічний порядок чергування вторинних структур. Під доменом розуміють відокремлену частину молекули білка, що має певною мірою структурною та функціональною автономією. Зараз домени вважають фундаментальними елементами структури білкових молекул і співвідношення та характер компонування α-спіралей та β-шарів дає для розуміння еволюції білкових молекул та філогенетичних зв'язків більше, ніж зіставлення первинних структур. Головним завданням еволюції є конструювання нових білків. Нескінченно малий шанс випадково синтезувати таку амінокислотну послідовність, яка б задовольнила умови упаковки та забезпечила виконання функціональних завдань. Тому часто зустрічаються білки з різною функцією, але подібні структурою настільки, що здається, що вони мали одного спільного предка або сталися один від одного. Схоже, що еволюція, зіткнувшись із необхідністю вирішити певне завдання, воліє не конструювати для цього білки спочатку, а пристосувати для цього вже добре налагоджені структури, адаптуючи їх для нових цілей.
Деякі приклади надвторинних структур, що часто повторюються:
1) αα' – білки, що містять тільки α-спіралі (міоглобін, гемоглобін);
2) ββ – білки, що містять тільки β-структури (імуноглобуліни, супероксиддисмутаза);
3) βαβ' – структура β-бочки, кожен β-шар розташований усередині бочонки і пов'язаний з α-спіраллю, що знаходиться на поверхні молекули (тріозофосфоізомераза, лактатдегідрогеназа);
4) «цинковий палець» – фрагмент білка, що складається з 20 амінокислотних залишків, атом цинку пов'язаний з двома залишками цистеїну та двома гістидинами, в результаті чого утворюється «палець» з приблизно 12 амінокислотних залишків, може зв'язуватися з регуляторними ділянками молекули ДНК;
5) «лейцинова застібка-блискавка» – білки, що взаємодіють, мають α-спіральну ділянку, що містить принаймні 4 залишки лейцину, вони розташовані через 6 амінокислот один від одного, тобто знаходяться на поверхні кожного другого витка і можуть утворювати гідрофобні зв'язки з лейциновими залишками іншого білка. За допомогою лейцинових застібок, наприклад, молекули сильноосновних білків гістонів можуть поєднуватися в комплекси, долаючи позитивний заряд.
Третинна структура білка- Це просторове розташування молекули білка, що стабілізується зв'язками між бічними радикалами амінокислот.
Типи зв'язків, що стабілізують третинну структуру білка:
електростатичні водневі гідрофобні дисульфідні
взаємодія зв'язку взаємодії зв'язку
Залежно від складання третинної структури білки можна класифікувати на два основні типи – фібрилярні та глобулярні.
Фібрилярні білки – нерозчинні у воді довгі ниткоподібні молекули, поліпептидні ланцюги яких витягнуті вздовж однієї осі. В основному це структурні та скорочувальні білки. Декілька прикладів найпоширеніших фібрилярних білків:
1. α-кератини. Синтезуються клітинами епідермісу. На їхню частку припадає майже вся суха вага волосся, вовни, пір'я, рогів, нігтів, пазурів, голок, луски, копит і черепашого панцира, а також значна частина ваги зовнішнього шару шкіри. Це ціле сімейство білків, вони подібні до амінокислотного складу, містять багато залишків цистеїну і мають однакове просторове розташування поліпептидних ланцюгів. У клітинах волосся поліпептидні ланцюги кератину спочатку організуються в волокна, з яких потім формуються структури на кшталт каната або скрученого кабелю, що нарешті заповнює весь простір клітини. Клітини волосся стають при цьому сплощеним і, нарешті, відмирають, а клітинні стінки утворюють навколо кожного волосся трубчастий чохол, званий кутикулою. В α-кератині поліпептидні ланцюги мають форму α-спіралі, скручені одна довкола іншої в трижильний кабель з утворенням поперечних дисульфідних зв'язків. N-кінцеві залишки розташовані з одного боку (паралельні). Кератини нерозчинні у воді через переважання в їхньому складі амінокислот з неполярними бічними радикалами, які спрямовані у бік водної фази. При хімічній завивці відбуваються такі процеси: спочатку шляхом відновлення тіолами руйнуються дисульфідні містки, а потім при наданні волоссю необхідної форми їх висушують нагріванням, при цьому за рахунок окислення киснем повітря утворюються нові дисульфідні містки, які зберігають форму зачіски.
2. β-кератини. До них відносяться фіброїн шовку та павутиння. Представляют собою антипаралельні β-складчасті шари з переважанням гліцину, аланіну та серину у складі.
3. Колаген. Найпоширеніший білок у вищих тварин та головний фібрилярний білок сполучних тканин. Колаген синтезується у фібробластах та хондроцитах – спеціалізованих клітинах сполучної тканини, з яких потім виштовхується. Колагенові волокна знаходяться у шкірі, сухожиллях, хрящах та кістках. Вони не розтягуються, за міцністю перевершують сталевий дріт, колагенові фібрили характеризуються поперечною смугастістю. При кип'ятінні у воді волокнистий, нерозчинний і неперетравлюваний колаген перетворюється на желатин в результаті гідролізу деяких ковалентних зв'язків. Колаген містить 35% гліцину, 11% аланіну, 21% проліну та 4-гідроксипроліну (амінокислоти, властивої тільки для колагену та еластину). Такий склад визначає відносно низьку цінність желатину як харчового білка. Фібрили колагену складаються з поліпептидних субодиниць, що повторюються, званих тропоколагеном. Ці субодиниці укладені вздовж фібрили як паралельних пучків на кшталт «голова до хвоста». Зрушеність головок і надає характерної поперечної смугастість. Порожнечі в цій структурі при необхідності можуть служити місцем відкладення кристалів гідроксиапатиту Са 5 (ОН)(РО 4) 3 грає важливу роль в мінералізації кісток.
Тропоколагенові субодиниці складаються з трьох поліпептидних ланцюгів, щільно скручених у вигляді трижильного каната, що відрізняється від α- та β-кератинів. В одних колагенах усі три ланцюги мають однакову амінокислотну послідовність, тоді як в інших ідентичні лише два ланцюги, а третій відрізняється від них. Поліпептидний ланцюг тропоколагену утворює ліву спіраль, на один виток якої припадає лише три амінокислотні залишки через вигин ланцюга, обумовлений проліном і гідроксипроліном. Три ланцюги пов'язані між собою крім водневих зв'язків зв'язком ковалентного типу, що утворюється між двома залишками лізину, що знаходяться в сусідніх ланцюгах:
У міру того як ми стаємо старшими, в тропоколагенових субодиницях і між ними утворюється все більше поперечних зв'язків, що робить фібрили колагену більш жорсткими і крихкими, і це змінює механічні властивості хрящів і сухожиль, робить більш ламкими кістки і знижує прозорість.
4. Еластін. Міститься у жовтій еластичній тканині зв'язок та еластичному шарі сполучної тканини у стінках великих артерій. Основна субодиниця фібрил еластину – тропоеластин. Еластин багатий на гліцин і аланін, містить багато лізину і мало проліну. Спіральні ділянки еластину розтягуються при натягу, але повертаються при знятті навантаження до вихідної довжини. Залишки лізину чотирьох різних ланцюгів утворюють ковалентні зв'язки між собою та дозволяють еластину оборотно розтягуватися у всіх напрямках.
Глобулярні білки – білки, поліпептидний ланцюг яких згорнутий у компактну глобулу, здатні виконувати найрізноманітніші функції.
Третинну структуру глобулярних білків найзручніше розглянути з прикладу міоглобіну. Міоглобін – це відносно невеликий кисень-зв'язуючий білок, який є присутнім у м'язових клітинах. Він запасає зв'язаний кисень і сприяє його перенесенню в мітохондрії. У молекулі міоглобіну знаходиться один поліпептидний ланцюг та одна гемогрупа (гем) – комплекс протопорфірину із залізом. Основні властивості міоглобіну:
а) молекула міоглобіну настільки компактна, що в ній може вміститися всього 4 молекули води;
б) всі полярні амінокислотні залишки, за винятком двох, розташовані на зовнішній поверхні молекули, причому всі вони знаходяться у гідратованому стані;
в) більша частина гідрофобних амінокислотних залишків розташована всередині молекули міоглобіну і, таким чином, захищена від зіткнення з водою;
г) кожен із чотирьох залишків проліну в молекулі міоглобіну знаходиться в місці вигину поліпептидного ланцюга, в інших місцях вигину розташовані залишки серину, треоніну та аспарагіну, оскільки такі амінокислоти перешкоджають утворенню α-спіралі, якщо знаходяться один з одним;
д) плоска гемогрупа лежить у порожнині (кишені) поблизу поверхні молекули, атом заліза має два координаційні зв'язки, спрямовані перпендикулярно до площини гема, одна з них пов'язана з залишком гістидину 93, а інша служить для зв'язування молекули кисню.
Починаючи з третинної структури, білок стає здатним виконувати властиві йому біологічні функції. У основі функціонування білків лежить те, що з укладанні третинної структури лежить на поверхні білка утворюються ділянки, які можуть приєднувати себе інші молекули, звані лигандами. Висока специфічність взаємодії білка з лігандом забезпечується комплементарністю структури активного центру структури ліганду. Комплементарність – це просторова та хімічна відповідність взаємодіючих поверхонь. Для більшості білків третинна структура – максимальний рівень укладання.
Четвертична структура білка– характерна для білків, що складаються з двох і більше поліпептидних ланцюгів, пов'язаних між собою виключно нековалентними зв'язками, переважно електростатичними та водневими. Найчастіше білки містять дві або чотири субодиниці, більше чотирьох субодиниць зазвичай містять регуляторні білки.
Білки, що мають четвертинну структуру, часто називають олігомерними. Розрізняють гомомірні та гетеромерні білки. До гомомірних відносяться білки, у яких всі субодиниці мають однакову будову, наприклад, фермент каталаза складається з чотирьох абсолютно однакових субодиниць. Гетеромірні білки мають різні субодиниці, наприклад, фермент РНК-полімераза складається з п'яти різних за будовою субодиниць, що виконують різні функції.
Взаємодія однієї субодиниці зі специфічним лігандом викликає конформаційні зміни всього олігомерного білка і змінює спорідненість інших субодиниць до лігандів, ця властивість лежить в основі здатності білків олигомерных до алостеричної регуляції.
Четвертичну структуру білка можна розглянути на прикладі гемоглобіну. Містить чотири поліпептидні ланцюги та чотири простетичні групи гему, в яких атоми заліза знаходяться в закисній формі Fe 2+ . Білкова частина молекули – глобін – складається з двох α-ланцюгів та двох β-ланцюгів, що містять до 70% α-спіралей. Кожен із чотирьох ланцюгів має характерну для неї третинну структуру, з кожним ланцюгом пов'язана одна гемогрупа. Геми різних кіл порівняно далеко розташовані один від одного і мають різний кут нахилу. Між двома α-ланцюгами та двома β-ланцюгами утворюється мало прямих контактів, тоді як між α- і β-ланцюгами виникають численні контакти типу α 1 β 1 і α 2 β 2 , утворені гідрофобними радикалами. Між α 1 β 1 і α 2 β 2 залишається канал.
На відміну від міоглобіну гемоглобін характеризується значно нижчою спорідненістю до кисню, що дозволяє йому при низьких парціальних тисках кисню, що існують у тканинах, віддавати їм значну частину зв'язаного кисню. Кисень легше зв'язується залізом гемоглобіну при більш високих значеннях рН і низької концентрації 2 , властиві альвеол легень; звільненню кисню з гемоглобіну сприяють нижчі значення рН і високі концентрації СО 2 властиві тканинам.
Крім кисню гемоглобін переносить іони водню, які зв'язуються із залишками гістидину в ланцюгах. Також гемоглобін переносить вуглекислий газ, який приєднує до кінцевої аміногрупи кожної з чотирьох поліпептидних ланцюгів, у результаті чого утворюється карбаміногемоглобін:
В еритроцитах у досить великих концентраціях присутня речовина 2,3-дифосфогліцерат (ДФГ), його вміст збільшується при підйомі на велику висоту та при гіпоксії, полегшуючи вивільнення кисню з гемоглобіну в тканинах. ДФГ розташовується в каналі між α 1 β 1 і α 2 β 2 , взаємодіючи з позитивно зараженими групами β-ланцюгів. При зв'язуванні гемоглобіном кисню ДФГ витісняється із порожнини. В еритроцитах деяких птахів міститься не ДФГ, а инозитолгекса-фосфат, який ще більше знижує спорідненість з гемоглобіном до кисню.
2,3-дифосфогліцерат (ДФГ)
HbA – нормальний гемоглобін дорослої людини, HbF – фетальний гемоглобін, має більшу спорідненість до О2, HbS – гемоглобін при серповидноклітинній анемії. Серповидноклітинна анемія – це серйозне спадкове захворювання, пов'язане з генетичною аномалією гемоглобіну. У крові хворих людей спостерігається надзвичайно велика кількість тонких серповидних еритроцитів, які, по-перше, легко розриваються, по-друге, закупорюють кровоносні капіляри. На молекулярному рівні гемоглобін S відрізняється від гемоглобіну А по одному амінокислотному залишку в положенні 6 -ланцюгів, де замість залишку глутамінової кислоти знаходиться валін. Таким чином, гемоглобін S містить на два негативні заряди менше, поява валіну призводить до виникнення «липкого» гідрофобного контакту на поверхні молекули, в результаті при дезоксигенації молекули дезоксигемоглобіну S злипаються і утворюють нерозчинні аномально довгі ниткоподібні агрегати, що призводять до деформації еритроцитів.
Немає жодних підстав думати, що існує незалежний генетичний контроль за формуванням рівнів структурної організації білка вище за первинний, оскільки первинна структура визначає і вторинну, і третинну, і четвертинну (якщо вона є). Нативною конформацією білка є термодинамічно найбільш стійка в умовах структура.
Сучасно протеїнове харчування неможливо уявити без розгляду ролі окремих амінокислот. Навіть при загальному позитивному протеїновому балансі організм тварини може відчувати нестачу протеїну. Це пов'язано з тим, що засвоєння окремих амінокислот взаємопов'язане один одним, недолік або надлишок однієї амінокислоти може призводити до нестачі іншої.
Частина амінокислот не синтезується в організмі людини та тварин. Вони отримали назву незамінних. Таких амінокислот лише десять. Чотири з них є критичними (лімітуючими) - вони найчастіше обмежують зростання та розвиток тварин.
У раціонах для птиці головними амінокислотами, що лімітують, є метіонін і цистин, в раціонах для свиней - лізин. Організм повинен отримувати достатню кількість головної лімітуючої кислоти з кормом для того, щоб інші амінокислоти могли ефективно використовуватися для синтезу білка.
Цей принцип ілюстрований «бочкою Лібіха», де рівень заповнення бочки є рівень синтезу протеїну в організмі тварини. Найкоротша дошка в бочці обмежує можливість утримання в ній рідини. Якщо ж ця дошка буде подовжена, то і об'єм рідини, що утримується в бочці, збільшиться до рівня другої дошки, що лімітує.
Найважливіший фактор, що визначає продуктивність тварин, - це збалансованість амінокислот, що містяться в ньому, відповідно до фізіологічних потреб. Численними дослідженнями було доведено, що у свиней, залежно від породи та статі, потреба в амінокислотах відрізняється кількісно. А от відношення незамінних амінокислот для синтезу 1 г протеїну є однаковим. Таке співвідношення незамінних амінокислот до лізину, як основної амінокислоті, що лімітує, і називається «ідеальним протеїном» або «ідеальним профілем амінокислот». (
Лізін
входить до складу практично всіх білків тваринного, рослинного та мікробного походження, проте протеїни злакових культур бідні на лізин.
- Лізин регулює відтворювальну функцію, при його нестачі порушується утворення сперміїв та яйцеклітин.
- Необхідний для зростання молодняку, утворення тканинних білків. Лізин бере участь у синтезі нуклеопротеїдів, хромопротеїдів (гемоглобін), тим самим регулює пігментацію вовни тварин. Регулює кількість продуктів розпаду білка у тканинах та органах.
- Сприяє всмоктуванню кальцію
- Бере участь у функціональній діяльності нервової та ендокринної систем, регулює обмін білків та вуглеводів, проте реагуючи з вуглеводами, лізин переходить у недоступну для засвоєння форму.
- Лізин є вихідною речовиною при утворенні карнітину, що відіграє важливу роль у жировому обміні.
Метіонін та цистинсірковмісні амінокислоти. При цьому метіонін може трансформуватися в цистин, тому ці амінокислоти нормуються разом, а при нестачі раціону вводяться метіонінові добавки. Обидві ці амінокислоти беруть участь в утворенні похідних шкіри - волосся, пера; разом з вітаміном Е регулюють видалення надлишків жиру з печінки, необхідні зростання і розмноження клітин, еритроцитів. При нестачі метіоніну цистин є неактивним. Проте значного надлишку метіоніну раціоні годі було допускати.
Метіонін
сприяє відкладенню жиру в м'язах, необхідний для утворення нових органічних сполук холіну (вітаміну В4), креатину, адреналіну, ніацину (вітаміну В5) та ін.
Дефіцит метіоніну в раціонах призводить до зниження рівня плазмових білків (альбумінів), викликає анемію (знижується рівень гемоглобіну крові), при одночасному нестачі вітаміну Е та селену сприяє розвитку м'язової дистрофії. Недостатня кількість метіоніну в раціоні викликає відставання у зростанні молодняку, втрату апетиту, зниження продуктивності, збільшення витрат корму, жирове переродження печінки, порушення функцій нирок, анемію та виснаження.
Надлишок метіоніну погіршує використання азоту, викликає дегенеративні зміни у печінці, нирках, підшлунковій залозі, збільшує потребу в аргініні, гліцині. При великому надлишку метіоніну спостерігається дисбаланс (порушується рівновага амінокислот, в основі якого лежать різкі відхилення від оптимального співвідношення незамінних амінокислот у раціоні), який супроводжується порушенням обміну речовин та гальмуванням швидкості росту у молодняку.
Цистин - сірковмісна амінокислота, взаємозамінна з метіоніном, бере участь в окислювально-відновних процесах, обміні білків, вуглеводів і жовчних кислот, сприяє утворенню речовин, що знешкоджують отрути кишечника, активізує інсулін, разом з триптофаном цистин бере участь у синтезі продуктів перетравлення жирів з кишечника, що використовується для синтезу глютатіону. Цистин має здатність поглинати ультрафіолетові промені. При нестачі цистину відзначається цироз печінки, затримка оперності та зростання пера у молодняку, ламкість і випадання (вищипування) пір'я у дорослого птаха, зниження опірності до інфекційних захворювань.
Триптофан
визначає фізіологічну активність ферментів травного тракту, окисних ферментів у клітинах та ряду гормонів, бере участь в оновленні білків плазми крові, зумовлює нормальне функціонування ендокринного та кровотворного апаратів, статевої системи, синтез гамма – глобулінів, гемоглобіну, нікотинової кислоти. в раціоні триптофану сповільнюється зростання молодняку, знижується несучість несучок, підвищуються витрати корму на продукцію, атрофуються ендокринні та статеві залози, виникає сліпота, розвивається анемія (знижується кількість еритроцитів і рівень гемоглобіну в крові), знижується резистентність і імун . У свиней, які отримували раціон, бідний на триптофан, знижується споживання корму, з'являється збочений апетит, огрубіння щетини та виснаження, відзначається ожиріння печінки. Дефіцит цієї амінокислоти призводить також до стерильності, підвищеної збудливості, конвульсіям, утворення катаракти, негативного балансу азоту та втрати живої маси. Триптофан, будучи попередником (провітаміном) нікотинової кислоти, попереджає розвиток пелагри.
Амінокислотами називаються карбонові кислоти, що містять аміногрупу та карбоксильну групу. Природні амінокислоти є 2-амінокарбоновими кислотами, або α-амінокислотами, хоча існують такі амінокислоти як β-аланін, таурин, γ-аміномасляна кислота. Узагальнена формула α-амінокислоти виглядає так:
У α-амінокислот при 2 атомі вуглецю є чотири різних замісники, тобто всі α-амінокислоти, крім гліцину, мають асиметричний (хіральний) атом вуглецю і існують у вигляді двох енантіомерів - L-і D-амінокислот. Природні амінокислоти відносяться до L-ряду. D-амінокислоти зустрічаються в бактеріях та пептидних антибіотиках.
Усі амінокислоти у водних розчинах можуть існувати у вигляді біполярних іонів, причому їхній сумарний заряд залежить від рН середовища. Розмір рН, коли він сумарний заряд дорівнює нулю, називається изоэлектрической точкою. В ізоелектричній точці амінокислота є цвіттер-іоном, тобто амінна група у неї протонована, а карбоксильна - дисоційована. У нейтральній ділянці рН більшість амінокислот є цвіттер-іонами:
Амінокислоти не поглинають світло у видимій ділянці спектру, ароматичні амінокислоти поглинають світло в УФ області спектра: триптофан і тирозин при 280 нм, фенілаланін – при 260 нм.
Для амінокислот характерні деякі хімічні реакції, що мають велике значення для лабораторної практики: кольорова нінгідринова проба на α-аміногрупу, реакції, характерні для сульфгідрильних, фенольних та інших груп радикалів амінокислот, ацелювання та утворення основ Шиффа по аміногрупах, етерифікація.
Біологічна роль амінокислот:
є структурними елементами пептидів та білків, так звані протеїногенні амінокислоти. До складу білків входять 20 амінокислот, які кодуються генетичним кодом і включаються в білки в процесі трансляції, деякі з них можуть бути фосфориловані, ацильовані або гідроксильовані;
може бути структурними елементами інших природних сполук – коферментів, жовчних кислот, антибіотиків;
є сигнальними молекулами. Деякі з амінокислот є нейромедіаторами або попередниками нейромедіаторів, гормонів та гістогормонів;
є найважливішими метаболітами, наприклад, деякі амінокислоти є попередниками алкалоїдів рослин, або є донорами азоту, або є життєво важливими компонентами харчування.
Класифікація протеїногенних амінокислот заснована на будові та на полярності бічних ланцюгів:
1. Аліфатичні амінокислоти:
гліцин, глі,G,Gly
аланін, ала, А,Ala
валін, вал,V,Val*
лейцин, лей, L, Leu *
ізолейцин, мулі, I,Ile*
Ці амінокислоти не містять у боковому ланцюзі гетероатомів, циклічних угруповань і характеризується чітко вираженою низькою полярністю.
цистеїн, цис,C,Cys
метіонін, мет,M,Met*
3. Ароматичні амінокислоти:
фенілаланін, фен, F, Phe *
тирозин, тир,Y,Tyr
триптофан, три,W,Trp*
гістидин, гіс,H,His
Ароматичні амінокислоти містять мезомерні резонансно стабілізовані цикли. У цій групі лише амінокислота фенілаланін виявляє низьку полярність, тирозин та триптофан характеризуються помітною, а гістидин – навіть високою полярністю. Гістидин може бути віднесений також до основних амінокислот.
4. Нейтральні амінокислоти:
серин, сір,S,Ser
треонін, тре,T,Thr*
аспарагін, асн, N,Asn
глутамін, глн, Q,Gln
Нейтральні амінокислоти містять гідроксильні або карбоксамідні групи. Хоча амідні групи неіоногенні, молекули аспарагіну та глутаміну високо полярні.
5. Кислі амінокислоти:
аспарагінова кислота (аспартат), асп,D,Asp
глутамінова кислота (глутамат), глу, E,Glu
Карбоксильні групи бічних ланцюгів кислих амінокислот повністю іонізовані у всьому діапазоні фізіологічних значень рН.
6. Основні амінокислоти:
лізин, л з, K,Lys*
аргінін, арг,R,Arg
Бічні ланцюги основних амінокислот повністю протоновані в нейтральній ділянці рН. Основною і дуже полярною амінокислотою є аргінін, що містить гуанідинове угруповання.
7. Імінокислота:
пролін, про,P,Pro
Бічний ланцюг проліну складається з п'ятичленного циклу, що включає -вуглецевий атом і -аміногрупу. Тому пролін, строго кажучи, не аміно-, а иминокислотой. Атом азоту в кільці є слабкою основою та не протонується при фізіологічних значеннях рН. Завдяки циклічній структурі пролін викликає вигини поліпептидного ланцюга, що дуже суттєво для структури колагену.
Деякі з перерахованих амінокислот не можуть синтезуватись в організмі людини і повинні надходити разом із їжею. Це незамінні амінокислоти відмічені зірочками.
Як було зазначено вище, протеїногенні амінокислоти є попередниками деяких цінних біологічно активних молекул.
Два біогенні аміни β-аланін та цистеамін входять до складу коферменту А (коферменти – похідні водорозчинних вітамінів, що утворюють активний центр складних ферментів). β-Аланін утворюється шляхом декарбоксилювання аспарагінової кислоти, а цистеамін шляхом декарбоксилювання цистеїну:
β-аланін 
цистеамін
Залишок глутамінової кислоти входить до складу іншого коферменту - тетрагідрофолієвої кислоти, похідного вітаміну В с.
Іншими біологічно цінними молекулами є кон'югати жовчних кислот із амінокислотою гліцином. Ці кон'югати є сильнішими кислотами, ніж базові, утворюються у печінці та присутні у жовчі у вигляді солей.
глікохолева кислота
Протеїногенні амінокислоти є попередниками деяких антибіотиків – біологічно активних речовин, що синтезуються мікроорганізмами та пригнічують розмноження бактерій, вірусів та клітин. Найбільш відомими з них є пеніциліни та цефалоспорини, що становлять групу β-лактамних антибіотиків і продукують пліснявою роду. Penicillium. Для них характерна наявність у структурі реакційноздатного β-лактамного кільця, за допомогою якого вони пригнічують синтез клітинних стінок грамнегативних мікроорганізмів.
загальна формула пеніцилінів
З амінокислот шляхом декарбоксилювання виходять біогенні аміни – нейромедіатори, гормони та гістогормони.
Амінокислоти гліцин та глутамат самі по собі є нейромедіаторами у центральній нервовій системі.
дофамін (нейромедіатор) норадреналін (нейромедіатор)
адреналін (гормон) гістамін (медіатор та гістогормон)
серотонін (нейромедіатор та гістогормон) ГАМК (нейромедіатор)
тироксин (гормон)
Похідним амінокислоти триптофану є найбільш відомий з ауксин, що зустрічаються в природі, – індолілоцтова кислота. Ауксини – це регулятори росту рослин, вони стимулюють диференціювання зростаючих тканин, зростання камбію, коренів, прискорюють ріст плодів та опадіння старого листя, його антагоністами є абсцизова кислота.
індолілоцтова кислота
Похідними амінокислот також є алкалоїди - природні азотовмісні сполуки основного характеру, що утворюються в рослинах. Дані сполуки є виключно активними фізіологічними сполуками, які широко використовуються в медицині. Прикладами алкалоїдів можуть служити похідне фенілаланіну папаверин, ізохіноліновий алкалоїд маку снодійного (спазмолітик), і похідне триптофану фізостигмін, індольний алкалоїд з калабар-ських бобів (антихолінестеразний препарат):
папаверин фізостигмін
Амінокислоти є надзвичайно популярними об'єктами біотехнології. Існує безліч варіантів хімічного синтезу амінокислот, однак у результаті виходять рацемати амінокислот. Так як для харчової промисловості та медицини придатні тільки L-ізомери амінокислот, рацемічні суміші необхідно розділяти на енантіомер, що представляє серйозну проблему. Тому популярніший біотехнологічний підхід: ферментативний синтез за допомогою іммобілізованих ферментів і мікробіологічний синтез за допомогою цілих мікробних клітин. В обох останніх випадках виходять чисті L-ізомери.
Амінокислоти використовуються як харчові добавки та компоненти кормів. Глутамінова кислота посилює смак м'яса, валін та лейцин покращують смак хлібобулочних виробів, гліцин та цистеїн використовуються як антиоксиданти при консервуванні. D-триптофан може бути замінником цукру, так як у багато разів його солодший. Лізин додають у корм сільськогосподарським тваринам, оскільки більшість рослинних білків містить невелику кількість незамінної амінокислоти лізину.
Амінокислоти широко використовуються у медичній практиці. Це такі амінокислоти як метіонін, гістидин, глутамінова та аспарагінова кислоти, гліцин, цистеїн, валін.
В останнє десятиліття амінокислоти почали додавати в косметичні засоби догляду за шкірою і волоссям.
Хімічно модифіковані амінокислоти також широко використовуються в промисловості як поверхнево-активні речовини в синтезі полімерів, при виробництві миючих засобів, емульгаторів, добавок до палива.
БІЛКИ
Білки - це високомолекулярні речовини, що складаються з амінокислот, з'єднаних пептидним зв'язком.
Саме білки є продуктом генетичної інформації, що передається з покоління в покоління, та здійснюють усі процеси життєдіяльності у клітині.
Функції білків:
Каталітична функція. Найбільш численну групу білків становлять ферменти – білки з каталітичною активністю, що прискорюють хімічні реакції. Прикладами ферментів є пепсин, алкогольдегідрогеназа, глутамінсинтетаза.
Структуротворча функція. Структурні білки відповідають за підтримання форми і стабільності клітин і тканин, до них відносяться кератини, колаген, фіброїн.
Транспортна функція. Транспортні білки переносять молекули або іони з одного органу в інший або через мембрани всередині клітини, наприклад гемоглобін, сироватковий альбумін, іонні канали.
Захисна функція. Білки системи гомеостазу захищають організм від збудників хвороб, чужорідної інформації, втрати крові – імуноглобуліни, фібриноген, тромбін.
Регулювальна функція. Білки здійснюють функції сигнальних речовин – деяких гормонів, гістогормонів та нейромедіаторів, є рецепторами до сигнальних речовин будь-якої будови, забезпечують подальшу передачу сигналу в біохімічних ланцюгах ланцюга клітини. Прикладами можуть бути гормон росту соматотропін, гормон інсулін, Н- і М-холінорецептори.
Двигуна функція. За допомогою білків здійснюються процеси скорочення та іншого біологічного руху. Прикладами можуть бути тубулін, актин, міозин.
Запасна функція. У рослинах містяться запасні білки, які є цінними харчовими речовинами, в організмах тварин м'язові білки є резервними поживними речовинами, які мобілізуються за крайньої необхідності.
Для білків характерним є кілька рівнів структурної організації.
Первинною структуроюбілка називають послідовність амінокислотних залишків поліпептидної ланцюга. Пептидна зв'язок – це карбоксамідна зв'язок між α-карбоксильною групою однієї амінокислоти та α-аміногрупою іншої амінокислоти.
аланілфенілаланілцистеілпролін
У пептидного зв'язку є кілька особливостей:
а) вона резонансно стабілізована і тому перебуває практично на одній площині – планарна; обертання навколо зв'язку С-N вимагає великих витрат енергії та утруднене;
б) у зв'язку -CO-NH- особливий характер, вона менша, ніж звичайна, але більше, ніж подвійна, тобто існує кето-єнольна таутомерія:
в) заступники стосовно пептидного зв'язку перебувають у транс-положенні;
г) пептидний кістяк оточений різноманітними за своєю природою бічними ланцюгами, взаємодіючи з навколишніми молекулами розчинника, вільні карбоксильні та аміногрупи іонізуються, утворюючи катіонні та аніонні центри молекули білка. Залежно від їхнього співвідношення білкова молекула отримує сумарний позитивний чи негативний заряд, і навіть характеризується тим чи іншим значенням рН середовища при досягненні изоэлектрической точки білка. Радикали утворюють сольові, ефірні, дисульфідні містки всередині молекули білка, і навіть визначають коло реакцій, властивих білкам.
В даний час умовилися вважати білками полімери, що складаються зі 100 і більше амінокислотних залишків, поліпептидами – полімери, що складаються з 50-100 амінокислотних залишків, низькомолекулярними пептидами – полімери, що складаються з менш ніж 50 амінокислотних залишків.
Деякі низькомолекулярні пептиди відіграють самостійну біологічну роль. Приклади деяких пептидів:
Глутатіон - γ-глу-цис-глі - один з найбільш поширених внутрішньоклітинних пептидів, бере участь в окислювально-відновних процесах в клітинах і переносі амінокислот через біологічні мембрани.
Карнозин – β-ала-гіс – пептид, що міститься у м'язах тварин, усуває продукти перекисного розщеплення ліпідів, прискорює процес розпаду вуглеводів у м'язах та у вигляді фосфату залучається до енергетичного обміну у м'язах.
Вазопресин - гормон задньої частки гіпофіза, що бере участь у регуляції водного обміну організму:
Фалоїдин – отруйний поліпептид мухомору, у нікчемних концентраціях викликає загибель організму внаслідок виходу ферментів та іонів калію з клітин:
Граміцидин – антибіотик, що діє на багато грампозитивних бактерій, змінює проникність біологічних мембран для низькомолекулярних сполук і викликає загибель клітин:
Міт-енкефалін - тир-глі-глі-фен-мет - пептид, що синтезується в нейронах і послаблює больові відчуття.
Вторинна структура білка- Це просторова структура, що утворюється в результаті взаємодій між функціональними групами пептидного кістяка.
Пептидна ланцюг містить безліч СО-і NH-груп пептидних зв'язків, кожна з яких потенційно здатна брати участь в утворенні водневих зв'язків. Існують два головні типи структур, які дозволяють це здійснити: α-спіраль, в яку ланцюг згортається як шнур від телефонної трубки, і складчаста β-структура, в якій поруч укладені витягнуті ділянки одного або декількох ланцюгів. Обидві ці структури дуже стабільні.
α-Спіраль характеризується гранично щільною упаковкою скрученого поліпептидного ланцюга, на кожен виток правозакрученої спіралі припадає 3,6 амінокислотних залишків, радикали яких спрямовані завжди назовні і трохи назад, тобто на початок поліпептидного ланцюга.
Основні характеристики α-спіралі:
α-спіраль стабілізується водневими зв'язками між атомом водню при азоті пептидної групи та карбонільним киснем залишку, що віддаляється від даного вздовж ланцюга на чотири позиції;
в освіті водневого зв'язку беруть участь усі пептидні групи, це забезпечує максимальну стабільність α-спіралі;
в утворенні водневих зв'язків залучені всі атоми азоту та кисню пептидних груп, що значною мірою знижує гідрофільність α-спіральних областей та збільшує їхню гідрофобність;
α-спіраль утворюється мимовільно і є найбільш стійкою конформацією поліпептидного ланцюга, що відповідає мінімуму вільної енергії;
в поліпептидному ланцюгу з L-амінокислот права спіраль, що зазвичай виявляється в білках, набагато стабільніше лівої.
Можливість утворення -спіралі обумовлена первинною структурою білка. Деякі амінокислоти перешкоджають закручування пептидного кістяка. Наприклад, розташовані поруч карбоксильні групи глутамату та аспартату взаємно відштовхуються один від одного, що перешкоджає утворенню водневих зв'язків у α-спіралі. З цієї причини утруднена спіралізація ланцюга у місцях близько розташованих друг до друга позитивно заряджених залишків лізину і аргініну. Проте найбільшу роль порушення α-спіралі грає пролін. По-перше, в пролині атом азоту входить до складу жорсткого кільця, що перешкоджає обертанню навколо зв'язку N-C, по-друге, пролін не утворює водневий зв'язок через відсутність водню при атомі азоту.
β-складчастість – це шарувата структура, що утворюється водневими зв'язками між лінійно розташованими пептидними фрагментами. Обидва ланцюги можуть бути незалежними або належати до однієї молекули поліпептиду. Якщо ланцюги орієнтовані одному напрямку, то така β-структура називається паралельної. У разі протилежного напрямку ланцюгів, тобто коли N-кінець одного ланцюга збігається з С-кінцем іншого ланцюга, β-структура називається антипаралельною. Енергетично краща антипаралельна β-складчастість з майже лінійними водневими містками.
паралельна β-складчастість антипаралельна β-складчастість
На відміну від α-спіралі, насиченої водневими зв'язками, кожна ділянка ланцюга β-складчастості відкрита для утворення додаткових водневих зв'язків. Бічні радикали амінокислот орієнтовані майже перпендикулярно до площини листа поперемінно вгору і вниз.
У тих ділянках, де пептидний ланцюг згинається досить круто, часто знаходиться β-петля. Це короткий фрагмент, в якому 4 амінокислотні залишки згинаються на 180 про стабілізуються одним водневим містком між першим і четвертим залишками. Великі амінокислотні радикали заважають утворенню β-петлі, тому до неї найчастіше входить найменша амінокислота гліцин.
Надвторинна структура білка– це певний специфічний порядок чергування вторинних структур. Під доменом розуміють відокремлену частину молекули білка, що має певною мірою структурною та функціональною автономією. Зараз домени вважають фундаментальними елементами структури білкових молекул і співвідношення та характер компонування α-спіралей та β-шарів дає для розуміння еволюції білкових молекул та філогенетичних зв'язків більше, ніж зіставлення первинних структур. Головним завданням еволюції є конструювання нових білків. Нескінченно малий шанс випадково синтезувати таку амінокислотну послідовність, яка б задовольнила умови упаковки та забезпечила виконання функціональних завдань. Тому часто зустрічаються білки з різною функцією, але подібні структурою настільки, що здається, що вони мали одного спільного предка або сталися один від одного. Схоже, що еволюція, зіткнувшись із необхідністю вирішити певне завдання, воліє не конструювати для цього білки спочатку, а пристосувати для цього вже добре налагоджені структури, адаптуючи їх для нових цілей.
Деякі приклади надвторинних структур, що часто повторюються:
αα' – білки, що містять тільки α-спіралі (міоглобін, гемоглобін);
ββ' – білки, що містять тільки β-структури (імуноглобуліни, супероксиддисмутазу);
βαβ' – структура β-бочонки, кожен β-шар розташований усередині бочонки і пов'язаний з α-спіраллю, що знаходиться на поверхні молекули (тріозофосфоізомераза, лактатдегідрогеназа);
«цинковий палець» – фрагмент білка, що складається з 20 амінокислотних залишків, атом цинку пов'язаний з двома залишками цистеїну та двома гістидинами, в результаті чого утворюється «палець» приблизно з 12 амінокислотних залишків, може зв'язуватися з регуляторними ділянками молекули ДНК;
«лейциновая застібка-блискавка» – білки, що взаємодіють, мають α-спіральну ділянку, що містить принаймні 4 залишки лейцину, вони розташовані через 6 амінокислот один від одного, тобто знаходяться на поверхні кожного другого витка і можуть утворювати гідрофобні зв'язки з лейциновими залишками іншого білка . За допомогою лейцинових застібок, наприклад, молекули сильноосновних білків гістонів можуть поєднуватися в комплекси, долаючи позитивний заряд.
Третинна структура білка- Це просторове розташування молекули білка, що стабілізується зв'язками між бічними радикалами амінокислот.
Типи зв'язків, що стабілізують третинну структуру білка:
електростатичні водневі гідрофобні дисульфідні
взаємодія зв'язку взаємодії зв'язку
Залежно від складання третинної структури білки можна класифікувати на два основні типи – фібрилярні та глобулярні.
Фібрилярні білки – нерозчинні у воді довгі ниткоподібні молекули, поліпептидні ланцюги яких витягнуті вздовж однієї осі. В основному це структурні та скорочувальні білки. Декілька прикладів найпоширеніших фібрилярних білків:
α-кератини. Синтезуються клітинами епідермісу. На їхню частку припадає майже вся суха вага волосся, вовни, пір'я, рогів, нігтів, пазурів, голок, луски, копит і черепашого панцира, а також значна частина ваги зовнішнього шару шкіри. Це ціле сімейство білків, вони подібні до амінокислотного складу, містять багато залишків цистеїну і мають однакове просторове розташування поліпептидних ланцюгів. У клітинах волосся поліпептидні ланцюги кератину спочатку організуються в волокна, з яких потім формуються структури на кшталт каната або скрученого кабелю, що нарешті заповнює весь простір клітини. Клітини волосся стають при цьому сплощеним і, нарешті, відмирають, а клітинні стінки утворюють навколо кожного волосся трубчастий чохол, званий кутикулою. В α-кератині поліпептидні ланцюги мають форму α-спіралі, скручені одна довкола іншої в трижильний кабель з утворенням поперечних дисульфідних зв'язків. N-кінцеві залишки розташовані з одного боку (паралельні). Кератини нерозчинні у воді через переважання в їхньому складі амінокислот з неполярними бічними радикалами, які спрямовані у бік водної фази. При хімічній завивці відбуваються такі процеси: спочатку шляхом відновлення тіолами руйнуються дисульфідні містки, а потім при наданні волоссю необхідної форми їх висушують нагріванням, при цьому за рахунок окислення киснем повітря утворюються нові дисульфідні містки, які зберігають форму зачіски.
β-кератини. До них відносяться фіброїн шовку та павутиння. Представляют собою антипаралельні β-складчасті шари з переважанням гліцину, аланіну та серину у складі.
Колаген. Найпоширеніший білок у вищих тварин та головний фібрилярний білок сполучних тканин. Колаген синтезується у фібробластах та хондроцитах – спеціалізованих клітинах сполучної тканини, з яких потім виштовхується. Колагенові волокна знаходяться у шкірі, сухожиллях, хрящах та кістках. Вони не розтягуються, за міцністю перевершують сталевий дріт, колагенові фібрили характеризуються поперечною смугастістю. При кип'ятінні у воді волокнистий, нерозчинний і неперетравлюваний колаген перетворюється на желатин в результаті гідролізу деяких ковалентних зв'язків. Колаген містить 35% гліцину, 11% аланіну, 21% проліну та 4-гідроксипроліну (амінокислоти, властивої тільки для колагену та еластину). Такий склад визначає відносно низьку цінність желатину як харчового білка. Фібрили колагену складаються з поліпептидних субодиниць, що повторюються, званих тропоколагеном. Ці субодиниці укладені вздовж фібрили як паралельних пучків на кшталт «голова до хвоста». Зрушеність головок і надає характерної поперечної смугастість. Порожнечі в цій структурі при необхідності можуть служити місцем відкладення кристалів гідроксиапатиту Са 5 (ОН)(РО 4) 3 грає важливу роль в мінералізації кісток.
Тропоколагенові субодиниці складаються з трьох поліпептидних ланцюгів, щільно скручених у вигляді трижильного каната, що відрізняється від α- та β-кератинів. В одних колагенах усі три ланцюги мають однакову амінокислотну послідовність, тоді як в інших ідентичні лише два ланцюги, а третій відрізняється від них. Поліпептидний ланцюг тропоколагену утворює ліву спіраль, на один виток якої припадає лише три амінокислотні залишки через вигин ланцюга, обумовлений проліном і гідроксипроліном. Три ланцюги пов'язані між собою крім водневих зв'язків зв'язком ковалентного типу, що утворюється між двома залишками лізину, що знаходяться в сусідніх ланцюгах:
У міру того як ми стаємо старшими, в тропоколагенових субодиницях і між ними утворюється все більше поперечних зв'язків, що робить фібрили колагену більш жорсткими і крихкими, і це змінює механічні властивості хрящів і сухожиль, робить більш ламкими кістки і знижує прозорість.
Еластін. Міститься у жовтій еластичній тканині зв'язок та еластичному шарі сполучної тканини у стінках великих артерій. Основна субодиниця фібрил еластину – тропоеластин. Еластин багатий на гліцин і аланін, містить багато лізину і мало проліну. Спіральні ділянки еластину розтягуються при натягу, але повертаються при знятті навантаження до вихідної довжини. Залишки лізину чотирьох різних ланцюгів утворюють ковалентні зв'язки між собою та дозволяють еластину оборотно розтягуватися у всіх напрямках.
Глобулярні білки – білки, поліпептидний ланцюг яких згорнутий у компактну глобулу, здатні виконувати найрізноманітніші функції.
Третинну структуру глобулярних білків найзручніше розглянути з прикладу міоглобіну. Міоглобін – це відносно невеликий кисень-зв'язуючий білок, який є присутнім у м'язових клітинах. Він запасає зв'язаний кисень і сприяє його перенесенню в мітохондрії. У молекулі міоглобіну знаходиться один поліпептидний ланцюг та одна гемогрупа (гем) – комплекс протопорфірину із залізом. Основні властивості міоглобіну:
а) молекула міоглобіну настільки компактна, що в ній може вміститися всього 4 молекули води;
б) всі полярні амінокислотні залишки, за винятком двох, розташовані на зовнішній поверхні молекули, причому всі вони знаходяться у гідратованому стані;
в) більша частина гідрофобних амінокислотних залишків розташована всередині молекули міоглобіну і, таким чином, захищена від зіткнення з водою;
г) кожен із чотирьох залишків проліну в молекулі міоглобіну знаходиться в місці вигину поліпептидного ланцюга, в інших місцях вигину розташовані залишки серину, треоніну та аспарагіну, оскільки такі амінокислоти перешкоджають утворенню α-спіралі, якщо знаходяться один з одним;
д) плоска гемогрупа лежить у порожнині (кишені) поблизу поверхні молекули, атом заліза має два координаційні зв'язки, спрямовані перпендикулярно до площини гема, одна з них пов'язана з залишком гістидину 93, а інша служить для зв'язування молекули кисню.
Починаючи з третинної структури, білок стає здатним виконувати властиві йому біологічні функції. У основі функціонування білків лежить те, що з укладанні третинної структури лежить на поверхні білка утворюються ділянки, які можуть приєднувати себе інші молекули, звані лигандами. Висока специфічність взаємодії білка з лігандом забезпечується комплементарністю структури активного центру структури ліганду. Комплементарність – це просторова та хімічна відповідність взаємодіючих поверхонь. Для більшості білків третинна структура – максимальний рівень укладання.
Четвертична структура білка– характерна для білків, що складаються з двох і більше поліпептидних ланцюгів, пов'язаних між собою виключно нековалентними зв'язками, переважно електростатичними та водневими. Найчастіше білки містять дві або чотири субодиниці, більше чотирьох субодиниць зазвичай містять регуляторні білки.
Білки, що мають четвертинну структуру, часто називають олігомерними. Розрізняють гомомірні та гетеромерні білки. До гомомірних відносяться білки, у яких всі субодиниці мають однакову будову, наприклад, фермент каталаза складається з чотирьох абсолютно однакових субодиниць. Гетеромірні білки мають різні субодиниці, наприклад, фермент РНК-полімераза складається з п'яти різних за будовою субодиниць, що виконують різні функції.
Взаємодія однієї субодиниці зі специфічним лігандом викликає конформаційні зміни всього олігомерного білка і змінює спорідненість інших субодиниць до лігандів, ця властивість лежить в основі здатності білків олигомерных до алостеричної регуляції.
Четвертичну структуру білка можна розглянути на прикладі гемоглобіну. Містить чотири поліпептидні ланцюги та чотири простетичні групи гему, в яких атоми заліза знаходяться в закисній формі Fe 2+ . Білкова частина молекули – глобін – складається з двох α-ланцюгів та двох β-ланцюгів, що містять до 70% α-спіралей. Кожен із чотирьох ланцюгів має характерну для неї третинну структуру, з кожним ланцюгом пов'язана одна гемогрупа. Геми різних кіл порівняно далеко розташовані один від одного і мають різний кут нахилу. Між двома α-ланцюгами та двома β-ланцюгами утворюється мало прямих контактів, тоді як між α- і β-ланцюгами виникають численні контакти типу α 1 β 1 і α 2 β 2 , утворені гідрофобними радикалами. Між α 1 β 1 і α 2 β 2 залишається канал.
На відміну від міоглобіну гемоглобін характеризується значно нижчою спорідненістю до кисню, що дозволяє йому при низьких парціальних тисках кисню, що існують у тканинах, віддавати їм значну частину зв'язаного кисню. Кисень легше зв'язується залізом гемоглобіну при більш високих значеннях рН і низької концентрації 2 , властиві альвеол легень; звільненню кисню з гемоглобіну сприяють нижчі значення рН і високі концентрації СО 2 властиві тканинам.
Крім кисню гемоглобін переносить іони водню, які зв'язуються із залишками гістидину в ланцюгах. Також гемоглобін переносить вуглекислий газ, який приєднує до кінцевої аміногрупи кожної з чотирьох поліпептидних ланцюгів, у результаті чого утворюється карбаміногемоглобін:
В еритроцитах у досить великих концентраціях присутня речовина 2,3-дифосфогліцерат (ДФГ), його вміст збільшується при підйомі на велику висоту та при гіпоксії, полегшуючи вивільнення кисню з гемоглобіну в тканинах. ДФГ розташовується в каналі між α 1 β 1 і α 2 β 2 , взаємодіючи з позитивно зараженими групами β-ланцюгів. При зв'язуванні гемоглобіном кисню ДФГ витісняється із порожнини. В еритроцитах деяких птахів міститься не ДФГ, а инозитолгекса-фосфат, який ще більше знижує спорідненість з гемоглобіном до кисню.
2,3-дифосфогліцерат (ДФГ)
HbA – нормальний гемоглобін дорослої людини, HbF – фетальний гемоглобін, має більшу спорідненість до О2, HbS – гемоглобін при серповидноклітинній анемії. Серповидноклітинна анемія – це серйозне спадкове захворювання, пов'язане з генетичною аномалією гемоглобіну. У крові хворих людей спостерігається надзвичайно велика кількість тонких серповидних еритроцитів, які, по-перше, легко розриваються, по-друге, закупорюють кровоносні капіляри. На молекулярному рівні гемоглобін S відрізняється від гемоглобіну А по одному амінокислотному залишку в положенні 6 -ланцюгів, де замість залишку глутамінової кислоти знаходиться валін. Таким чином, гемоглобін S містить на два негативні заряди менше, поява валіну призводить до виникнення «липкого» гідрофобного контакту на поверхні молекули, в результаті при дезоксигенації молекули дезоксигемоглобіну S злипаються і утворюють нерозчинні аномально довгі ниткоподібні агрегати, що призводять до деформації еритроцитів.
Немає жодних підстав думати, що існує незалежний генетичний контроль за формуванням рівнів структурної організації білка вище за первинний, оскільки первинна структура визначає і вторинну, і третинну, і четвертинну (якщо вона є). Нативною конформацією білка є термодинамічно найбільш стійка в умовах структура.
Білки становлять матеріальну основу хімічної діяльності клітини. Функції білків у природі універсальні. Назвою білки,найбільш прийнятому у вітчизняній літературі відповідає термін протеїни(Від грец. proteios- Перший). До теперішнього часу досягнуті великі успіхи у встановленні співвідношення структури та функцій білків, механізму їх участі у найважливіших процесах життєдіяльності організму та у розумінні молекулярних основ патогенезу багатьох хвороб.
Залежно від молекулярної маси розрізняють пептиди та білки. Пептиди мають меншу молекулярну масу, ніж білки. Для пептидів більш властива регуляторна функція (гормони, інгібітори та активатори ферментів, переносники іонів через мембрани, антибіотики, токсини та ін.).
12.1. α -Амінокислоти
12.1.1. Класифікація
Пептиди та білки побудовані із залишків α-амінокислот. Загальна кількість амінокислот, що зустрічаються в природі, перевищує 100, але деякі з них виявлені лише в певному співтоваристві організмів, 20 найважливіших α-амінокислот постійно зустрічаються у всіх білках (схема 12.1).
α-Амінокислоти - гетерофункціональні сполуки, молекули яких містять одночасно аміногрупу та карбоксильну групу в одного і того ж атома вуглецю.
Схема 12.1.Найважливіші α-амінокислоти*
* Скорочені позначення застосовуються тільки для запису амінокислотних залишків у молекулах пептидів та білків. ** Незамінні амінокислоти.
Назви -амінокислот можуть бути побудовані за замісною номенклатурою, але частіше використовуються їх тривіальні назви.
Тривіальні назви -амінокислот зазвичай пов'язані з джерелами виділення. Серін входить до складу фіброїну шовку (від лат. serieus- шовковистий); тирозин вперше виділено із сиру (від грец. tyros- Сир); глутамін - із злакової клейковини (від нього. Gluten- Клей); аспарагінова кислота - із паростків спаржі (від лат. asparagus- спаржа).
Багато α-амінокислот синтезуються в організмі. Деякі амінокислоти, необхідні синтезу білків, в організмі не утворюються і повинні надходити ззовні. Такі амінокислоти називають незамінними(Див. схему 12.1).
До незамінних α-амінокислот відносяться:
валін ізолейцин метіонін триптофан
лейцин лізин треонін фенілаланін
α-амінокислоти класифікують декількома способами в залежності від ознаки, покладеної в основу їх поділу на групи.
Однією з класифікаційних ознак є хімічна природа радикала R. За цією ознакою амінокислоти поділяються на аліфатичні, ароматичні та гетероциклічні (див. схему 12.1).
Аліфатичніα -амінокислоти.Це найбільш численна група. Усередині неї амінокислоти поділяють із залученням додаткових класифікаційних ознак.
Залежно від числа карбоксильних груп та аміногруп у молекулі виділяють:
Нейтральні амінокислоти – по одній групі NH 2 та СООН;
Основні амінокислоти – дві групи NH 2 та одна група
СООН;
Кислі амінокислоти - одна група NH 2 та дві групи СООН.
Можна відзначити, що у групі аліфатичних нейтральних амінокислот число атомів вуглецю в ланцюзі немає більше шести. При цьому не існує амінокислоти з чотирма атомами вуглецю в ланцюзі, а амінокісоти з п'ятьма і шістьма атомами вуглецю мають лише розгалужену будову (валін, лейцин, ізолейцин).
В аліфатичному радикалі можуть бути «додаткові» функціональні групи:
Гідроксильна - серин, треонін;
Карбоксильна - аспарагінова та глутамінова кислоти;
Тіольна – цистеїн;
Амідна – аспарагін, глутамін.
Ароматичніα -амінокислоти.До цієї групи належать фенілаланін і тирозин, побудовані таким чином, що бензольні кільця в них відокремлені від загального α-амінокислотного фрагмента метиленової групою -СН 2-.
Гетероциклічні α -амінокислоти.Гістидин і триптофан, що відносяться до цієї групи, містять гетероцикли - імідазол та індол відповідно. Будова та властивості цих гетероциклів розглянуті нижче (див. 13.3.1; 13.3.2). Загальний принцип побудови гетероциклічних амінокислот такий самий, як і ароматичних.
Гетероциклічні та ароматичні α-амінокислоти можна розглядати як β-заміщені похідні аланіну.
До героциклічних відноситься також амінокислота пролін,в якій вторинна аміногрупа включена до складу піролідинового
У хімії α-амінокислот велика увага приділяється будові та властивостям «бічних» радикалів R, які відіграють важливу роль у формуванні структури білків та виконанні ними біологічних функцій. Велике значення мають такі характеристики, як полярність «бічних» радикалів, наявність у радикалах функціональних груп та здатність цих функціональних груп до іонізації.
Залежно від бічного радикалу виділяють амінокислоти з неполярними(гідрофобними) радикалами та амінокислоти c полярними(гідрофільними) радикалами.
До першої групи відносяться амінокислоти з аліфатичними бічними радикалами - аланін, валін, лейцин, ізолейцин, метіонін - та ароматичними бічними радикалами - фенілаланін, триптофан.
До другої групи належать амінокислоти, у яких в радикалі є полярні функціональні групи, здатні до іонізації (іоногенні) або не здатні переходити в іонний стан (неіоногенні) в умовах організму. Наприклад, у тирозині гідроксильна група іоногенна (має фенольний характер), у серині – неіоногенна (має спиртову природу).
Полярні амінокислоти з іоногенними групами в радикалах у певних умовах можуть перебувати в іонному (аніонному чи катіонному) стані.
12.1.2. Стереоізомерія
Основний тип побудови -амінокислот, тобто зв'язок одного і того ж атома вуглецю з двома різними функціональними групами, радикалом і атомом водню, вже сам по собі визначає хіральність -атома вуглецю. Виняток становить найпростіша амінокислота гліцин H 2 NCH 2 COOH, що не має центру хіральності.
Конфігурація α-амінокислот визначається за конфігураційним стандартом - гліцериновим альдегідом. Розташування у стандартній проекційній формулі Фішера аміногрупи зліва (подібно до групи ВІН у l-гліцериновому альдегіді) відповідає l-конфігурації, праворуч - d-конфігурації хірального атома вуглецю. за R, S-системі α-атом вуглецю у всіх α-амінокислот l-ряду має S-, а у d-ряду - R-конфігурацію (виняток становить цистеїн, див. 7.1.2).
Більшість α-амінокислот містить у молекулі один асиметричний атом вуглецю і існує у вигляді двох оптично активних енантіомерів та одного оптично неактивного рацемату. Майже всі природні -амінокислоти належать до l-ряду.
Амінокислоти ізолейцин, треонін і 4-гідроксипролін містять у молекулі по два центри хіральності.
Такі амінокислоти можуть існувати у вигляді чотирьох стереоізомерів, що є двома парами енантіомерів, кожна з яких утворює рацемат. Для побудови білків тварин організмів використовується лише один із енантіомерів.
Стереоізомерія ізолейцину аналогічна до розглянутої раніше стереоізомерії треоніну (див. 7.1.3). З чотирьох стереоізомерів до складу білків входить l-ізолейцин з S-конфігурацією обох асиметричних атомів вуглецю С- і С-. У назвах іншої пари енантіомерів, які є діастереомерами по відношенню до лейцину, використовується приставка алло-.
Розщеплення рацематів. Джерелом отримання -амінокислот l-ряду служать білки, які піддають для цього гідролітичного розщеплення. У зв'язку з великою потребою в окремих енантіомерах (для синтезу білків, лікарських речовин тощо) розроблено хімічніметоди розщеплення синтетичних рацемічних амінокислот Переважний ферментативнийспосіб розщеплення з використанням ферментів В даний час для поділу рацемічних сумішей використовують хроматографію на хіральних сорбентах.
12.1.3. Кислотно-основні властивості
Амфотерність амінокислот обумовлена кислотними (СООН) та основними (NH 2) функціональними групами у тому молекулах. Амінокислоти утворюють солі як із лугами, так і з кислотами.
У кристалічному стані α-амінокислоти існують як диполярні іони H3N+ - CHR-COO- (зазвичай використовуваний запис
будови амінокислоти в неіонізованій формі служить лише для зручності).
У водному розчині амінокислоти існують у вигляді рівноважної суміші диполярного іону, катіонної та аніонної форм.
Положення рівноваги залежить від рН середовища. У всіх амінокислот переважають катіонні форми в сильнокислих (рН 1-2) і аніонні - в сильнолужних (рН >11) середовищах.
Іонна будова зумовлює низку специфічних властивостей амінокислот: високу температуру плавлення (понад 200 °С), розчинність у воді та нерозчинність у неполярних органічних розчинниках. Здатність більшості амінокислот добре розчинятися у воді є важливим фактором забезпечення їхнього біологічного функціонування, з нею пов'язані всмоктування амінокислот, їх транспорт в організмі тощо.
Повністю протонована амінокислота (катіонна форма) з позицій теорії Бренстеда є двоосновною кислотою,
Віддаючи один протон, така двоосновна кислота перетворюється на слабку одноосновну кислоту - диполярний іон з однією кислотною групою NH 3 + . Депротонування диполярного іона призводить до одержання аніонної форми амінокислоти - карбоксилат-іона, що є основою Бронстеда. Значення характеризують
щі кислотні властивості карбоксильної групи амінокислот, зазвичай лежать в інтервалі від 1 до 3; значення рK а2що характеризують кислотність амонієвої групи - від 9 до 10 (табл. 12.1).
Таблиця 12.1.Кислотно-основні властивості найважливіших α-амінокислот
Положення рівноваги, тобто співвідношення різних форм амінокислоти, у водному розчині при певних значеннях рН істотно залежить від будови радикала, головним чином від присутності в ньому іоногенних груп, що відіграють роль додаткових кислотних та основних центрів.
Значення рН, у якому концентрація диполярних іонів максимальна, а мінімальні концентрації катіонних і аніонних форм амінокислоти рівні, називаєтьсяізоелектричною точкою (p/).
Нейтральніα -амінокислоти.Ці амінокислоти мають значеннярIдещо нижче 7 (5,5-6,3) внаслідок більшої здатності до іонізації карбоксильної групи під впливом -/-ефекту групи NH 2 . Наприклад, у аланіну ізоелектрична точка знаходиться при рН 6,0.
Кисліα -амінокислоти.Ці амінокислоти мають в радикалі додаткову карбоксильну групу і сильнокислому середовищі знаходяться в повністю протонованій формі. Кислі амінокислоти є триосновними (за Брендстедом) з трьома значеннямирК а,як це видно на прикладі аспарагінової кислоти (р/3,0).
У кислих амінокислот (аспарагінової та глутамінової) ізоелектрична точка знаходиться при рН набагато нижче 7 (див. табл. 12.1). В організмі при фізіологічних значеннях рН (наприклад, рН крові 7,3-7,5) ці кислоти знаходяться в аніонній формі, тому що у них іонізовано обидві карбоксильні групи.
Основніα -амінокислоти.У разі основних амінокислот ізоелектричні точки знаходяться в області рН вище 7. У сильнокислому середовищі ці сполуки також є триосновними кислотами, етапи іонізації яких показані на прикладі лізину (р/9,8).
В організмі основні амінокислоти знаходяться у вигляді катіонів, тобто у них протоновані обидві аміногрупи.
Загалом жодна α-амінокислота in vivoне знаходиться у своїй ізоелектричній точці і не потрапляє в стан, що відповідає найменшій розчинності у воді. Усі амінокислоти в організмі знаходяться у іонній формі.
12.1.4. Аналітично важливі реакції α -амінокислот
α-амінокислоти як гетерофункціональні сполуки вступають у реакції, характерні як для карбоксильної, так і для аміногрупи. Деякі хімічні властивості амінокислот зумовлені функціональними групами у радикалі. У цьому розділі розглядаються реакції, що мають практичне значення для ідентифікації та аналізу амінокислот.
Етеріфікація.При взаємодії амінокислот зі спиртами у присутності кислотного каталізатора (наприклад, газоподібний хлороводень) з добрим виходом виходять складні ефіри у вигляді гідрохлоридів. Для виділення вільних ефірів реакційну суміш обробляють газоподібним аміаком.
Складні ефіри амінокислот не мають диполярної будови, тому, на відміну від вихідних кислот, вони розчиняються в органічних розчинниках і мають летючість. Так, гліцин - кристалічна речовина з високою температурою плавлення (292 °С), а його метиловий ефір - рідина з температурою кипіння 130 °С. Аналіз ефірів амінокислот можна проводити за допомогою газорідинної хроматографії.
Реакція із формальдегідом. Практичне значення має реакція з формальдегідом, яка є основою кількісного визначення амінокислот методом формольного титрування(Метод Серенсена).
Амфотерність амінокислот не дозволяє безпосередньо проводити титрування їх лугом в аналітичних цілях. При взаємодії амінокислот з формальдегідом виходять відносно стійкі аміноспирти (див. 5.3) - N-гідроксиметильні похідні, вільну карбоксильну групу яких потім титрують лугом.
Якісні реакції. Особливість хімії амінокислот і білків полягає у використанні численних якісних (кольорових) реакцій, які раніше становили основу хімічного аналізу. В даний час, коли дослідження проводяться за допомогою фізико-хімічних методів, багато якісних реакцій продовжують застосовувати для виявлення α-амінокислот, наприклад, у хроматографічному аналізі.
Хелатоутворення. З катіонами важких металів α-амінокислоти як біфункціональні сполуки утворюють внутрішньокомплексні солі, наприклад, зі свіжоприготовленим гідроксидом міді(11) в м'яких умовах виходять хелатні, що добре кристалізуються.
солі міді(11) синього кольору (один із неспецифічних способів виявлення α-амінокислот).
Нінгідринна реакція. Загальна якісна реакція -амінокислот - реакція з нінгідрином. Продукт реакції має синефіолетовий колір, що використовується для візуального виявлення амінокислот на хроматограмах (на папері, тонкому шарі), а також для спектрофотометричного визначення на амінокислотних аналізаторах (продукт поглинає світло в області 550-570 нм).
Дезамінування. У лабораторних умовах ця реакція здійснюється при дії азотистої кислоти на α-амінокислоти (див. 4.3). При цьому утворюється відповідна α-гідроксикислота і виділяється газоподібний азот, за обсягом якого судять про кількість амінокислоти, що вступила в реакцію (метод Ван-Слайка).
Ксантопротеїнова реакція. Ця реакція використовується для виявлення ароматичних та гетероциклічних амінокислот – фенілаланіну, тирозину, гістидину, триптофану. Наприклад, при дії концентрованої азотної кислоти на тирозин утворюється нітропохідна, забарвлена в жовтий колір. У лужному середовищі забарвлення стає помаранчевим у зв'язку з іонізацією фенольної гідроксильної групи та збільшенням вкладу аніону у сполучення.
Існує також низка приватних реакцій, що дозволяють виявляти окремі амінокислоти.
Триптофанвиявляють за допомогою реакції з п-(диметиламіно)бензальдегідом в середовищі сірчаної кислоти по червоно-фіолетовому фарбуванню, що з'являється (реакція Ерліха). Ця реакція використовується для кількісного аналізу триптофану у продуктах розщеплення білків.
Цистеїнвиявляють за допомогою декількох якісних реакцій, заснованих на реакційній здатності меркаптогрупи, що міститься в ньому. Наприклад, при нагріванні розчину білка з ацетатом свинцю (СНзСОО)2РЬ у лужному середовищі утворюється чорний осад сульфіду свинцю PbS, що вказує на присутність у білках цистеїну.
12.1.5. Біологічно важливі хімічні реакції
В організмі під дією різних ферментів здійснюється низка важливих хімічних перетворень амінокислот. До таких перетворень належать трансамінування, декарбоксилювання, елімінування, альдольне розщеплення, окисне дезамінування, окислення тіольних груп.
Трансамінування є основним шляхом біосинтезу α-амінокислот з α-оксокислот. Донором аміногрупи служить амінокислота, що є в клітинах у достатній кількості або надлишку, а її акцептором - α-оксокислота. Амінокислота при цьому перетворюється на оксокислоту, а оксокислота - на амінокислоту з відповідною будовою радикалів. У результаті трансамінування представляє оборотний процес взаємообміну аміно-і оксо-груп. Приклад такої реакції - одержання l-глутамінової кислоти з 2-оксоглутарової кислоти. Донорною амінокислотою може бути, наприклад, l-аспарагінова кислота.
α-Амінокислоти містять у α-положенні до карбоксильної групи електроноакцепторну аміногрупу (точніше, протоновану аміногрупу NH 3 +), у зв'язку з чим здатні до декарбоксилювання.
Елімінуваннявластиво амінокислот, у яких в бічному радикалі в β-положенні до карбоксильної групи міститься електроноакцепторна функціональна група, наприклад гідроксильна або тіольна. Їх відщеплення призводить до проміжних реакційноздатних α-єнамінокислот, що легко переходять у таутомерні імінокислоти (аналогія з кето-енольною таутомерією). α-Імінокислоти в результаті гідратації зв'язку C=N і подальшого відщеплення молекули аміаку перетворюються на α-оксокислоти.
Такий тип перетворень має назву елімінування-гідратація.Прикладом є отримання піровиноградної кислоти із серину.
Альдольне розщеплення відбувається у разі α-амінокислот, у яких у β-положенні міститься гідроксильна група. Наприклад, серин розщеплюється з утворенням гліцину та формальдегіду (останній не виділяється у вільному вигляді, а одразу пов'язується з коферментом).
Окисне дезамінування може здійснюватися за участю ферментів та коферменту НАД+ чи НАДФ+ (див. 14.3). α-Амінокислоти можуть перетворюватися на α-оксокислоти не тільки через трансамінування, але й шляхом окисного дезамінування. Наприклад, з l-глутамінової кислоти утворюється -оксоглутаровая кислота. На першій стадії реакції здійснюється дегідрування (окислення) глутамінової кислоти до α-іміноглутарової
кислоти. На другій стадії відбувається гідроліз, в результаті якого виходять α-оксоглутарова кислота та аміак. Стадія гідролізу протікає без ферменту.
У зворотному напрямку протікає реакція відновлювального амінування -оксокислот. α-оксоглутарова кислота, що завжди міститься в клітинах (як продукт метаболізму вуглеводів), перетворюється цим шляхом на L-глутамінову кислоту.
Окислення тіольних груп лежить в основі взаємоперетворень цистеїнових та цистинових залишків, що забезпечують ряд окислювально-відновних процесів у клітині. Цистеїн, як і всі тіоли (див. 4.1.2) легко окислюється з утворенням дисульфіду - цистину. Дисульфідний зв'язок у цистині легко відновлюється з утворенням цистеїну.
Завдяки здатності тіольної групи до легкого окиснення цистеїн виконує захисну функцію при впливі на організм речовин з високою окисною здатністю. Крім того, він був першим лікарським засобом, що проявив протипроменеву дію. Цистеїн використовується у фармацевтичній практиці як стабілізатор лікарських препаратів.
Перетворення цистеїну на цистин призводить до утворення дисульфідних зв'язків, наприклад, у відновленому глутатіоні
(Див. 12.2.3).
12.2. Первинна структура пептидів та білків
Умовно вважають, що пептиди містять у молекулі до 100 (що відповідає молекулярній масі до 10 тис.), а білки – понад 100 амінокислотних залишків (молекулярна маса від 10 тис. до кількох мільйонів).
У свою чергу, у групі пептидів прийнято розрізняти олігопептиди(низкомолекулярні пептиди), що містять у ланцюгу не більше 10 амінокислотних залишків, та поліпептиди,до складу кола яких входить до 100 амінокислотних залишків. Макромолекули з числом амінокислотних залишків, що наближається або трохи перевищує 100, не розмежовують за поняттями поліпептиди та білки, ці терміни часто використовують як синоніми.
Пептидну та білкову молекулу формально можна подати як продукт поліконденсації α-амінокислот, що протікає з утворенням пептидного (амідного) зв'язку між мономерними ланками (схема 12.2).
Конструкція поліамідного ланцюга однакова для різноманіття пептидів і білків. Цей ланцюг має нерозгалужену будову і складається з пептидних (амідних) груп, що чергуються -СО-NH- і фрагментів -CH(R)-.
Один кінець ланцюга, на якому знаходиться амінокислота із вільною групою NH 2, називають N-кінцем, інший - С-кінцем,
Схема 12.2.Принцип побудови пептидного ланцюга
на якому знаходиться амінокислота із вільною групою СООН. Пептидні та білкові ланцюги записують з N-кінця.
12.2.1. Будова пептидної групи
У пептидній (амідній) групі-СО-NH- атом вуглецю знаходиться в стані sp2-гібридизації. Неподілена пара електронів атома азоту вступає в пару з π-електронами подвійного зв'язку С=О. З позицій електронної будови пептидна група є трицентровою p,π-сполученою системою (див. 2.3.1), електронна щільність в якій зміщена в бік більш негативного атома кисню. Атоми З, Оі N, що утворюють сполучену систему, знаходяться в одній площині. Розподіл електронної густини в амідній групі можна подати за допомогою граничних структур (I) і (II) або усунення електронної густини в результаті +M- та - M-ефектів груп NH та C=O відповідно (III).
Внаслідок сполучення відбувається деяке вирівнювання довжин зв'язків. Подвійний зв'язок С=Про подовжується до 0,124 нм проти звичайної довжини 0,121 нм, а зв'язок С-N стає коротшим - 0,132 нм порівняно з 0,147 нм у звичайному випадку (рис. 12.1). Плоска сполучена система в пептидній групі спричиняє утруднення обертання навколо зв'язку С-N (бар'єр обертання становить 63-84 кДж/моль). Таким чином, електронна будова запобігає досить жорсткій плоскуструктуру пептидної групи
Як видно із рис. 12.1, α-атоми вуглецю амінокислотних залишків розташовуються в площині пептидної групи по різні сторони від зв'язку С-N, тобто в більш вигідному транспортному положенні: бічні радикали R амінокислотних залишків у цьому випадку будуть найбільш віддалені один від одного в просторі.
Поліпептидна ланцюг має напрочуд однотипну будову і може бути представлена у вигляді ряду розташованих під кутом друг
Мал. 12.1.Площинне розташування пептидної групи -CO-NH- та α-атомів вуглецю амінокислотних залишків
до друга площин пептидних груп, з'єднаних між собою через α-атоми вуглецю зв'язками Сα-N та Сα-Сsp 2 (Рис. 12.2). Обертання навколо цих одинарних зв'язків дуже обмежене внаслідок труднощів у просторовому розміщенні бічних радикалів амінокислотних залишків. Таким чином, електронна та просторова будова пептидної групи багато в чому визначає структуру поліпептидного ланцюга в цілому.
Мал. 12.2.Взаємне положення площин пептидних груп поліпептидного ланцюга
12.2.2. Склад та амінокислотна послідовність
При одноманітно побудованому поліамідному ланцюгу специфічність пептидів і білків визначається двома найважливішими характеристиками - амінокислотним складом та амінокислотною послідовністю.
Амінокислотний склад пептидів і білків - це природа і кількісне співвідношення α-амінокислот, що входять до них.
Амінокислотний склад встановлюється шляхом аналізу пептидних та білкових гідролізатів в основному хроматографічними методами. Нині такий аналіз здійснюється з допомогою амінокислотних аналізаторів.
Амідні зв'язки здатні гідролізуватися як у кислому, так і лужному середовищі (див. 8.3.3). Пептиди і білки гідролізуються з утворенням або коротших ланцюгів - це так званий частковий гідроліз,або суміші амінокислот (в іонній формі) - повний гідроліз.Зазвичай гідроліз здійснюють у кислому середовищі, так як в умовах лужного гідролізу багато амінокислот нестійкі. Слід зазначити, що гідроліз піддаються також амідні групи аспарагіну і глутаміну.
Первинна структура пептидів та білків – це амінокислотна послідовність, тобто порядок чергування α-амінокислотних залишків.
Первинну структуру визначають шляхом послідовного відщеплення амінокислот з якогось кінця ланцюга та їх ідентифікації.
12.2.3. Будова та номенклатура пептидів
Назви пептидів будують шляхом послідовного перерахування амінокислотних залишків, починаючи з N-кінця, з додаванням суфіксу-іл, крім останньої С-кінцевої амінокислоти, для якої зберігається її повна назва. Іншими словами, назви
амінокислот, які вступили в утворення пептидного зв'язку за рахунок «своєї» групи СООН, закінчуються в назві пептиду на -іл: аланіл, валіл тощо (для залишків аспарагінової та глутамінової кислот використовують назви «аспартил» і «глутаміл» відповідно). Назви та символи амінокислот означають їхню приналежність до l -Ряд, якщо не вказано інше ( d або dl).
Іноді у скороченому записі символами Н (як частина аміногрупи) та ВІН (як частина карбоксильної групи) уточнюється незаміщеність функціональних груп кінцевих амінокислот. Цим способом зручно зображати функціональні похідні пептидів; наприклад, амід наведеного вище пептиду С-кінцевою амінокислотою записується Н-Asn-Gly-Phe-NH2.
Пептиди містяться у всіх організмах. На відміну від білків вони мають більш різнорідний амінокислотний склад, зокрема, досить часто включають амінокислоти d -Ряди. У структурному відношенні вони також різноманітніші: містять циклічні фрагменти, розгалужені ланцюги тощо.
Один із найпоширеніших представників трипептидів - глутатіон- міститься в організмі всіх тварин, рослин і бактерій.
Цистеїн у складі глутатіону обумовлює можливість існування глутатіону як у відновленій, так і окисленій формі.
Глутатіон бере участь у ряді окислювально-відновних процесів. Він виконує функцію протектора білків, тобто речовини, що оберігає білки з вільними тіольними групами SH від окислення з утворенням дисульфідних зв'язків -S-S-. Це стосується тих білків, котрим такий процес небажаний. Глутатіон у випадках приймає він дію окислювача і в такий спосіб «захищає» білок. При окисненні глутатіону відбувається міжмолекулярне зшивання двох трипептидних фрагментів за рахунок дисульфідного зв'язку. Процес звернемо.
12.3. Вторинна структура поліпептидів та білків
Для високомолекулярних поліпептидів та білків поряд з первинною структурою характерні й вищі рівні організації, які називають вторинної, третинноїі четвертинноїструктурами.
Вторинна структура описується просторовою орієнтацією основного поліпептидного ланцюга, третинна - тривимірною архітектурою всієї білкової молекули. Як вторинна, і третинна структура пов'язані з упорядкованим розташуванням макромолекулярної ланцюга у просторі. Третинна та четвертинна структура білків розглядається в курсі біохімії.
Розрахунковим шляхом було показано, що для поліпептидного ланцюга однією з найбільш вигідних конформацій є розташування у просторі у вигляді правозакрученої спіралі, названої α-спіраллю(Рис. 12.3, а).
Просторове розташування α-спіралізованого поліпептидного ланцюга можна уявити, уявивши, що він обвиває якийсь
Мал. 12.3.α-Спіральна конформація поліпептидного ланцюга
циліндр (див. рис. 12.3 б). На один виток спіралі в середньому припадає 3,6 амінокислотного залишку, крок спіралі становить 0,54 нм, діаметр – 0,5 нм. Площини двох сусідніх пептидних груп розташовуються при цьому під кутом 108, а бічні радикали амінокислот знаходяться на зовнішній стороні спіралі, тобто спрямовані як би від поверхні циліндра.
Основну роль у закріпленні такої конформації ланцюга відіграють водневі зв'язки, які у α-спіралі утворюються між карбонільним атомом кисню кожного першого та атомом водню NН-групи кожного п'ятого амінокислотного залишку.
Водневі зв'язки спрямовані майже паралельно до осі α-спіралі. Вони утримують ланцюг у закрученому стані.
Зазвичай білкові ланцюги спіралізовані в повному обсязі, лише частково. У таких білках, як міоглобін та гемоглобін, містяться досить довгі α-спіральні ділянки, наприклад ланцюг міоглобіну
спіралізовано на 75%. У багатьох інших білках частка спіральних ділянок у ланцюзі може бути невеликою.
Іншим видом вторинної структури поліпептидів та білків є β-структура,звана також складчастим листом,або складчастим шаром.У складчасті листи укладаються витягнуті поліпептидні ланцюги, що зв'язуються безліччю водневих зв'язків між групами пептидних цих ланцюгів (рис. 12.4). У багатьох білках одночасно містяться α-спіральні та β-складчасті структури.
Мал. 12.4.Вторинна структура поліпептидного ланцюга у вигляді складчастого листа (β-структура)
У кислому середовищі -амінокислоти виступають як основи (по аміногрупі), а в лужній - як кислоти (по карбоксильній групі). У деяких амінокислот може іонізуватися також радикал (R), у зв'язку з чим усі амінокислоти можна розділити на заряджені та незаряджені (при фізіологічному значенні рН=6,0 - 8,0) (див. табл. 4). Як приклад перших можна навести аспарагінову кислоту та лізин:
Якщо радикали амінокислот нейтральні, то вони не впливають на дисоціацію α-карбоксильної або α-аміногрупи, і величини рК (негативний логарифм, що показує значення рН, при якому ці групи наполовину дисоційовані) залишаються відносно постійними.
Величини рК для α-карбоксилиюй (pK 1) та α-аміногрупи (рК 2) сильно різняться. При рН< pK 1 почти все молекулы аминокислоты протежированы и заряжены положительно. Напротив, при рН >рК 2 практично всі молекули амінокислоти є негативно зарядженими, так як -карбоксильна група знаходиться в дисоційованому стані.
Отже, залежно від рН середовища амінокислоти мають сумарний позитивний нульовий або негативний заряд. Значення рН, при якому сумарний заряд молекули дорівнює нулю, і вона не переміщається в електричному полі ні до катода, ні до анода, називається ізоелектричною точкою і позначається pI.
Для нейтральних α-амінокислот значення pI знаходять як середнє арифметичне між двома значеннями рК:
При рН розчину менше pI амінокислоти протонуються і, заряджуючись позитивно, переміщаються в електричному полі до катода. Зворотна картина спостерігається при pH > pI.
Для амінокислот, що містять заряджені (кислотні або основні) радикали, ізоелектрична точка залежить від кислотності чи основності цих радикалів та їх рК (рК 3). Значення pI для них знаходять за такими формулами:
для кислих амінокислот:
для основних амінокислот:
У клітинах та міжклітинній рідині організму людини та тварин рН середовища близько до нейтрального, тому основні амінокислоти (лізин, аргінін) мають позитивний заряд (катіони), кислі амінокислоти (аспарагінова, глутамінова) мають негативний заряд (аніони), а решта існують у вигляді біполярного цвіттер-іона.
Стереохімія амінокислот
Важливою особливістю білкових -амінокислот є їх оптична активність. За винятком гліцину, всі вони побудовані асиметрично, у зв'язку з чим, будучи розчинені у воді або в соляній кислоті, здатні обертати площину поляризації світла. Амінокислоти існують у вигляді просторових ізомерів, що належать до D- або L-ряду. L- або D-конфігурація визначається типом будови сполуки щодо асиметричного атома вуглецю (атом вуглецю, пов'язаний із чотирма різними атомами чи групами атомів). У формулах асиметричний атом вуглецю позначають зірочкою. На рис.3 показані проекційні моделі L-і D-конфігурацій амінокислот, які є дзеркальним відображенням один одного. Усі 18 оптично активних білкових амінокислот відносяться до L-ряду. Однак у клітинах багатьох мікроорганізмів та в антибіотиках, що продукуються деякими з них, виявлено D-амінокислоти.
Мал. 3. Конфігурація L- та D-амінокислот
Будова білків
Виходячи з результатів вивчення продуктів гідролізу білків та висунутих А.Я. Данилевським ідей про роль пептидних зв'язків -CO-NH- у побудові білкової молекули, німецький вчений Е. Фішер запропонував на початку XX століття пептидну теорію будови білків. Згідно з цією теорією, білки являють собою лінійні полімери α-амінокислот, пов'язаних пептидним зв'язком - поліпептиди:
У кожному пептиді один кінцевий амінокислотний залишок має вільну -аміногрупу (N-кінець), а інший - вільну -карбоксильну групу (С-кінець). Структуру пептидів прийнято зображати, починаючи з N-кінцевої амінокислоти. У цьому амінокислотні залишки позначаються символами. Наприклад: Ala-Tyr-Leu-Ser-Tyr- - Cys. Цим записом позначений пептид, в якому N-кінцевою α-амінокислотою є ється аланін, а С-кінцевий - цистеїн. При читанні такого запису закінчення назв всіх кислот, крім останніх, змінюються на - "іл": аланіл-тирозил-лейцил-серил-тирозил-цистеїн. Довжина пептидного ланцюга в пептидах та білках, що зустрічаються в організмі, коливається від двох до сотень та тисяч амінокислотних залишків.
Для визначення амінокислотного складу білки (пептиди) піддають гідролізу:
У нейтральному середовищі ця реакція протікає дуже повільно, але пришвидшується у присутності кислот чи лугів. Зазвичай гідроліз білків проводять у запаяній ампулі в 6М розчині соляної кислоти при 105 °З; за таких умов повний розпад відбувається приблизно за добу. У деяких випадках білок гідролізують у більш м'яких умовах (при температурі 37-40 ° С) під дією біологічних каталізаторів протягом декількох годин.
Потім амінокислоти гідролізату поділяють методом хроматографії на іонообмінних смолах (сульфополістирольний катіоніт), виділяючи окремо фракцію кожної амінокислоти. Для вимивання амінокислот з іоннообмінної колонки використовують буфери зі зростаючим значенням рН. Першим знімається аспартат, що має кислотний бічний ланцюг; аргінін з основним бічним ланцюгом вимивається останнім. Послідовність зняття амінокислот з колонки визначають за профілем вимивання стандартних амінокислот. Фракціоновані амінокислоти визначають за забарвленням, що утворюється при нагріванні з нінгідрином:
У цій реакції безбарвний нінгідрин перетворюється; у синефіолетовий продукт, інтенсивність забарвлення якого (при 570 нм) пропорційна кількості амінокислоти (тільки пролін дає жовте забарвлення). Вимірявши інтенсивність фарбування, можна розрахувати концентрацію кожної амінокислоти в гідролізаті і кількість залишків кожної з них у досліджуваному білку.
В даний час такий аналіз проводять за допомогою автоматичних приладів – амінокислотних аналізаторів (див. нижче рис. схеми приладу). Результат аналізу прилад видає як графіка концентрацій окремих амінокислот. Цей метод знайшов широке застосування у дослідженні складу харчових речовин, клінічної практики; з його допомогою за 2-3 години можна отримати повну картину якісного складу амінокислот продуктів та біологічних рідин.
