3.4. Физико-химические свойства белков

Молекулярная масса белков колеблется в широких пределах: от нескольких тысяч дальтон (инсулин — 5700) до сотен миллионов (белок вируса гриппа — 322 • 10⁶). Форма белковых молекул может быть глобулярной (шаровидной) и фибриллярной (нитевидной) (рис. 3.1).

Форма белковых молекул изменяется под влиянием различных факторов: рН, температуры среды, ионной силы раствора, приро­ды растворителя, концентрации раствора.

В глобулярных белках (рис. 3.1, а) полипептидная цепь сверну­та так, что образуется компактная структура. Эти белки обычно растворимы в водной среде.

В кератине, фибриллярном белке шерсти, полипептидные цепи вытянуты вдоль одной оси. На рис. 3.1, б показаны три моле­кулы кератина, навитые одна на другую наподобие каната. Фиб­риллярные белки нерастворимы в воде.

Большинство белков растворяются в воде. Они образуют лио­фильные коллоидные растворы. Размеры молекул белков доста­точно большие, и они не проходят через поры полупроницаемых мембран.

Молекулярно-кинетические свойства коллоидных растворов белков связаны с размерами и перемещением мицелл в среде, рН раствора и т.д. Белки имеют низкий коэффициент диффузии, низкое осмотическое давление, высокую относительную вязкость и большую степень набухания — они связывают до 80...90 % всей воды организма.

Вода обеспечивает формирование структуры белков. Общее ко­личество связанной воды составляет в миоглобине, лизоциме, ци- тохроме около 22 % общей массы белка. Под влиянием различных факторов белки могут выпадать из коллоидных растворов в осадок (коагулировать); это легче происходит в изоэлектрической точке белка.

Коагуляция бывает обратимой, когда в коллоидной частице нарушается только сольватная оболочка, и необратимой, когда происходят глубокие нарушения структуры белковой молекулы. Необратимую коагуляцию называют денатурацией. Ее могут вызы­вать кипячение, действие солей тяжелых металлов, алкалоидов, минеральных кислот и т. д.

Кислотно-основные свойства белков обусловлены катионообразующими (—NH₃ ⁺ ) и анионообразующими (—СОО") группа­ми. Суммарный заряд молекулы можно представить так:

Знак заряда зависит от соотношения аминных и карбоксиль­ных групп. Соответственно различают белки кислые, нейтральные и щелочные (основные).

3.5. Аминокислоты

Общая характеристика аминокислот. Для изучения аминокис- нотного состава белков пользуются кислотным (НС1), щелочным (NaOH) и ферментативным гидролизом. При гидролизе чистого белка высвобождается до 20 различных а-аминокислот. Все другие аминокислоты (их более 200), открытые в тканях животных, рас­тений и микроорганизмов, существуют в свободном состоянии либо в составе коротких пептидов или комплексов с другими орга­ническими веществами.

Аминокислоты можно получить несколькими способами: гидролизом из соответствующих белков;

методом химического синтеза, в том числе с использованием иммобилизованных ферментов;

методом микробиологического синтеза. Таким способом про­изводят аминокислоты для нужд животноводства; это многотон­нажный промышленный способ.

а-Аминокислоты представляют собой производные карбоновых кислот, у которых один атом водорода, у а-углерода, замещен на аминогруппу (—NH₂):

Все аминокислоты, входящие в состав природных белков, от­носятся к а-аминокислотам.

Общее свойство аминокислот — их амфотерность, т. е. каждая из них содержит как минимум одну кислую и одну основную груп­пу (исключение составляет пролин и его производное гидроксипролин, являющиеся иминокислотами).

Общий тип строения а-аминокислот может быть представлен в виде следующей формулы:

Аминокислоты отличаются друг от друга химической природой радикала R, представляющего группу атомов в молекуле амино­кислоты, связанную с

а-углеродным атомом и не участвующую в образовании пептидной связи при синтезе белка.

Почти все а-амино- и а-карбоксильные группы участвуют в образовании пептидных связей белковой молекулы, теряя при этом специфические для свободных аминокислот кислотно-ос­новные свойства. Поэтому все разнообразие особенностей струк­туры и функции белковой молекулы связано с химической приро­дой и физико-химическими свойствами радикалов аминокислот.

Все аминокислоты — бесцветные кристаллические вещества, на вкус сладковатые или кисло-сладкие.

т. е. в неионизированной форме, приводятся для удобства воспри­ятия. В кислой среде аминогруппа присоединяет протон, получает положительный заряд и под действием электрического тока движется к катоду:

Большинство аминокислот хорошо растворяются в воде. В тка­нях организма, в клетках, в крови среда слабощелочная — рН 7,3, поэтому карбоксильные группы находятся в форме R—СОО~", а аминные — в форме R—NH₃ ⁺ (в протонированной форме), поэто­му правильная ионная форма аминокислоты имеет вид

В щелочной среде аминокислота ведет себя как кислота и дис­социирует по такой схеме:

В этом случае при пропускании тока через раствор ионизиро­ванная молекула аминокислоты движется к аноду.

Для каждой аминокислоты существует своя изоэлектрическая точка (ИЭТ), т. е. такое состояние, при котором сумма положи­тельных зарядов равна сумме отрицательных зарядов и под дей­ствием электрического тока аминокислота не движется ни к ано- ду, ни к катоду. Для моноаминомонокарбоновых кислот ИЭТ бу­дет близка к реакции нейтральной среды, моноаминодикарбоно- вых — к кислой и диаминомонокарбоновых — к щелочной.

Для определения количественного содержания аминокислот важное значение имеют следующие методы.

Формольное титрование основано на способности формальдегида реагировать с аминогруппой, в результате чего аминокислота превращается в основание Шиффа. В этой реакции аминогруппа аминокислоты блокируется остатком формальдеги­да, а карбоксильная группа не затрагивается и может быть оттит­рована щелочью:

Реакция с азотистой кислотой — при действии азотистой кислоты аминогруппа разрушается, при этом выделяю­щийся азот собирают и по его количеству рассчитывают содержание аминокислоты – газометрический метод:

Нингидриновый метод определения широко приме­няют:

при хроматографическом разделении аминокислот на бумаге; в автоматических анализаторах аминокислот; для определения аминного азота.

Для обнаружения и полуколичественного определения аминокис­лот разработаны следующие реакции: реакция Миллона (тирозин);

ксантопротеиновая реакция (фенилаланин, тирозин); реакция Сакагучи (аргинин).

Аминокислоты природных белков (кроме глицина) обладают оптической активностью, т. е. способностью вращать плоскость поляризованного света. Различают D- и L-формы аминокислот, например:

Все природные белковые аминокислоты относятся к L-ряду. Лишь в белках некоторых микроорганизмов, а также в грибах, ан­тибиотиках встречаются некоторые D-аминокислоты.

Аминокислоты D-ряда или совершенно не усваиваются орга­низмом или же усваиваются плохо, так как ферментные систе­мы организма животного специфически приспособлены к об­мену L-аминокислот. Это важно при учете балансирования раци­она по незаменимым аминокислотам синтетическими аналога­ми, которые, как правило, содержат в равных количествах L- и D-формы (рацематы).

Аминокислоты обозначают трехбуквенными символами, на­пример: аланин — Ала, гистидин — Гис, аргинин — Apr и т. д.

Важным свойством аминокислот является их способность син­тезироваться в тканях организма животных. Различают аминокис­лоты заменимые, которые могут синтезироваться в тканях живот­ного организма, и незаменимые, которые не могут синтезироваться н организме, а должны поступать с кормом.

Аминокислоты подразделяют на ациклические, ароматические и гетероциклические.

Ациклические аминокислоты. К ациклическим аминокислотам относятся: моноаминомонокарбоновые, моноаминодикарбоновые и диамино- монокарбоновые кислоты.

Моноаминомонокарбоновые кислоты. К ним относятся: глицин, L(+)-аланин, L-серин, L-цистеин, L-метионин, L-треонин, L-валин, L-лейцин, L-изолейцин.

Глицин (гликокол, или аминоуксусная кислота):

Это единственная а-аминокислота, не содержащая асимметри­ческого атома углерода и не имеющая в связи с этим оптического п юмера. Глицин входит в состав всех растительных и животных Белков. Он синтезируется в организме животных из других амино­кислот. Заменимая аминокислота.

L(+)-a л а н и н (а-аминопропионовая кислота):

Является производной пропионовой кислоты. Впервые выделена из фиброина шелка при его кислотном гид­ролизе. Аланин и его производные жирного и циклического ряда составляют 55...60 % всех аминокислот, входящих в состав белков, (лменимая аминокислота.

Эга аминокислота имеет три функциональные группы: а-аминогруппу, ккарбоксильную и гидроксильную. В связи с этим может лупать в химические реакции чаще, чем аланин и глицин. Заменимая аминокислота.

L-серин (а-амино-В-оксипропионовая кислота):

L-Цистеин (а-амино-р-тиопропионовая кислота):

Входит в состав многих белков, особенно кожи (эпидермиса), шерсти, рогов, копыт. Значительно его содержание в составе фер­ментов. Наличие —SH сульфгидрильной (тиоловой) группы в со­ставе ферментов дало им название тиоловых. Заменимая амино­кислота.

L-Цистин (а,а'-диамино-β,β '-дитиопропионовая кислота):

Образуется в результате окисления цистеина, две молекулы ко­торого соединяются через атомы серы. Цистин можно рассматри­вать как дицистеин. Плохо растворяется в воде, несколько лучше в слабых кислотах и щелочах. Заменимая аминокислота.

L-Метионин (а-амино-у-метилтиомасляная кислота):

Открыт в 1922 г. в составе белка казеина. В тканях организма животных не синтезируется, является донором метальных групп и серы для образования некоторых биологически активных веществ, в том числе серосодержащих аминокислот (цистеин, цистин, го- моцистеин), холина, креатина и др. незаменимых аминокислот.

L-Треонин (а-амино-р-гидрооксимасляная кислота):

Получен в результате гидролиза казеина и фибрина в 1935 г. Незаменимая аминокислота.

Валин широко распространен в белках тканей. Незаменимая м иноки слота. L- лейцин (а-аминоизокапроновая кислота):

В клетках организма не синтезируется. Незаменимая амино­кислота.

L - Изолейцин (а-амино-р-метил-валериановая кислота):

Входит в состав многих белков. Незаменимая аминокислота. Моноаминодикарбоновые кислоты. К ним относятся аспарагиновая и глутаминовая кислоты. Лспарагиновая кислота (а-аминоянтарная кислота):

Входит в состав белков тканей, в большом количестве содер­жится в кислых белках. Заменимая аминокислота.

Глутаминовая кислота (а-аминоглутаровая кислота):

Входит в состав белков, особенно много ее в составе кислых белков. Заменимая аминокислота.

Диаминомонокарбоновые кислоты. Это производные валериановой и капроновой кислот (пять и шесть атомов углерода). К ним относятся L-аргинин, L-цитруллин, L-лизин.

L -Аргинин (а-амино-р-гуанидилвалериановая кислота):

Содержит две аминогруппы, относится к основным аминокис­лотам. Входит в состав гистонов, протаминов. Частично замени­мая аминокислота. Является важным промежуточным продуктом при синтезе мочевины:

Орнитин не входит в состав белков, представляет собой диами- новалериановую кислоту, образуется в процессе обмена при гид­ролизе аргинина.

L-Цитруллин образуется при синтезе мочевины. В состав белков не входит:

Много лизина в ядерных белках протаминах и гистонах. Неза­менимая аминокислота.Ароматические аминокислоты. Ароматические аминокислоты включают L-фенилаланин и L-тирозин.

Распространенная аминокислота. Служит основным субстра­том при синтезе гормонов щитовидной железы и мозгового слоя иадиочечников. Заменимая аминокислота.

Гетероциклические аминокислоты. К этому классу относятся фиитофан, L-гистидин, пролин.

Триптофан (а-амино-р-индолилпропионовая кислота):

Содержит гетероциклическое пиррольное кольцо. Из трипто­фана образуется биологически активный амин — триптамин, который повышает кровяное давление. Незаменимая аминокислота.

L-Гистидин (а-амино-р-имидозолилпропионовая кислота):

Содержит имидазольный цикл с двумя атомами азота. Гистидин, как и триптофан, входит в состав многих белков организма. При декарбоксилировании образуется биологически активный амин — гистамин. Незаменимая аминокислота.

L-Пролин (пирролидин – а-карбоновая кислота): Оксипролин (4-гидроксипиор ролидин-2-карбоновая кислота):

Пролин и оксипролин могут превращаться в другие аминокис­лоты, принимают участие в обмене веществ. Это иминокислоты, так как содержат =NH-rpynny. Заменимые аминокислоты.