Строение белковой молекулы . Полипептидное строение белков

4.Гликопротеины. Это сложные белки, в составе которых имеется углеводный компонент. Белок в данных соединениях является своеобразной основой, к нему прикрепляются углеводные группировки. Общепризнанная и устоявшаяся классификация этих белков отсутствует. В соответствии с особенностями химического строения гликопротеины могут быть подразделены на истинные гликопротеины и протеогликаны (гликозаминопротеогликаны). Основное различие между ними заключается в том, что углеводные группировки истинных гликопротеинов содержат обычно до 15—20 моносахаридных компонентов, не образующих повторяющихся олигосахаридных фрагментов, в то время как у протеогликанов они построены из очень большого числа повторяющихся единиц, в основном имеющих своеобразный дисахаридный характер. Истинные гликопротеины. Молекулярная масса истинных гликопротеинов варьирует в широких пределах, достигая иногда 1 млн. и более. Особенно велика молекулярная масса у гликопротеинов слюны. На долю углеводного компонента в гликопротеинах приходится от 1—3% (овальбумин) до 80—90% (групповые вещества крови) массы всей молекулы. В значительных пределах колеблется и число углеводных цепей, приходящихся на одну молекулу. Так, в трансферрине, рибонуклеазе их количество не превышает 1—4, а у групповых веществ крови, муцинов слюны достигает 300—800. Углеводные цепочки, разветвленные или линейные всегда ковалентно связаны с пептидной частью молекулы. В составе углеводных компонентов обнаружено более 10 различных моносахаридов: D-галактоза, D-манноза, D-глюкоза, N-ацетилглюкозамин и N-ацетилгалактозамин, дезоксисахара (L-фукоза, L-рамноза), D-ксилоза, L-арабиноза. Типичным компонентом гликопротеинов является также нейраминовая кислота), которая благодаря наличию карбоксильной группы (при физиологических значениях рН) придает молекуле углеводсодержащих соединений отрицательный заряд. Нейраминовая кислота чаще встречается в форме сиаловых кислот, которые наряду с фукозой обычно занимают терминальное положение в углеводных цепях гликопротеинов. Ковалентную связь между углеводной и белковой частями гликопротеинов могут образовывать различные группировки.

.Протеогликаны. Молекулярная масса протеогликанов достигает иногда нескольких миллионов за счет большого числа чередующихся дисахаридных звеньев. Растворы этих углеводсодержащих белков обладают высокой вязкостью. Протеогликаны состоят из небольшой белковой части, к которой ковалентно присоединяется значительное число (несколько десятков) гетерополисахаридных цепей, содержащих в своих молекулах остатки аминосахаридов и уроновых кислот. Углеводные компоненты протеогликанов, называемые гликозаминогликанами, представлены в основном следующими полисахаридами: гиалуроновой кислотой, хондроитинсульфатами, гепарином, гепарансульфатом и кератансульфатами. Все эти полисахариды содержат чередующиеся парные звенья, состоящие из остатков аминосахаридов, гексуроновых кислот и реже моносахаридов .В протеогликанах, содержащих гиалуроновую кислоту, на долю белковой части приходится 0,4—2% от всей массы молекулы, в случае хондроитинсульфатов — 17—22%. . Протеогликаны обладают полианионными свойствами, так как в них присутствуют карбоксильные группы уроновых кислот и сульфатные группы аминосахаридов.

Биологическая роль гликопротеинов. Углеводсодержащие белки широко распространены в живых организмах, они встречаются у животных, растений и микроорганизмов, где выполняют самые разнообразные функции.

1. Функция избирательного взаимодействия, высокоспецифического узнавания. В состав поверхностных мембран наряду с другими компонентами входят гликопротеины, участвующие в очень тонких процессах биологического узнавания и межклеточного взаимодействия, выполняющие роль рецепторных систем для определенных соединений и клеток. Так, эпителиальные клетки слизистой оболочки кишечника снабжены рецепторами, специфически связывающими клетки инфицирующих организм бактерий и вирусов. Определенные гликопротеины эритроцитарных мембран ответственны за избирательное присоединение вируса гриппа. Специфическое связывание гормонов с поверхностью клеток-мишеней обеспечивается во многих случаях углеводсодержащими соединениями этих клеток. Такого типа рецептор для инсулина существует на поверхности клеток печени, жировой ткани и лимфоцитов. Несомненна также важнейшая роль углеводного компонента гликопротеинов в определении специфичности многих антигенов. Это относится прежде всего к групповым веществам крови и растворимым групповым веществам биологических жидкостей (слюна, молоко, семенная жидкость). Антигенные комплексы бактерий имеют очень сложную химическую структуру, состоят из белкового, полисахаридного и липидного компонентов. Комплексные антигены многих бактерий, токсичные для человека и животных, называются эндотоксинами. В липидном компоненте локализованы все или большинство активных токсичных участков, он определяет также пирогенное действие. Акцептирование бактериальных токсинов клетками организма-«хозяина» также происходит с участием гликопротеинов. Углеводный компонент гликопротеинов является своего рода указателем, в котором при помощи последовательности сахаров в углеводной цепи записано, куда должна следовать молекула — выходить из клетки, поступать в клеточные мембраны различных органов или субклеточные мембраны. Гликопротеины являются распространенными компонентами семян растений. Так, в семенах фасоли содержится вицилин — белок, в состав которого входит манноза и N-ацетилглюкозамин, в семенах клещевины — белок рицин, обладающий способностью избирательно осаждать группоспецифические вещества крови и агглютинировать эритроциты. Соединения, обладающие таким свойством и выделенные из растений, называются фитогемагглютининами и относятся к группе лектинов. Под лектинами понимают белки неиммунного происхождения, в том числе и гликопротеины, способные специфически связывать полисахариды и углеводсодержащие биополимеры, не вызывая их химического превращения. В частности, взаимодействие лектинов с углеводсодержащими соединениями проявляется в виде реакции агглютинации частиц и клеток, например, эритроцитов, или преципитации полисахаридов и гликопротеиноп. К настоящему времени лектины обнаружены у организмов, находящихся на разных ступенях эволюционной лестницы: у бактерий. водорослей, грибов, моллюсков, рыб, млекопитающих и других животных. у млекопитающих некоторые лектины, вероятно, принимают участие в формировании органов в процессе эмбриогенеза, поскольку в больших количествах встречаются в тканях зародыша и плода. Разнообразные функции лектинов в той или иной мере связаны со способностью узнавания клеток и клеточных компонентов, организации их избирательного взаимодействия. Лектины широко распространены в растениях, предполагают, что они могут участвовать в регулировании клеточного деления и прорастания семян. Лектины играют важную роль в процессах узнавания при образовании симбиотических сообществ, в частности, между бобовыми растениями и азотфиксирующими клубеньковыми бактериями. Такую же роль выполняют лектины грибов при образовании лишайников. Лектины принимают участие и в формировании паразитических межвидовых сообществ: высшее растение — бактерии, высшее растение — грибы. Важна роль лектинов в клеточном узнавании при формировании колониальных микроорганизмов.
2. Транспортная функция. Ряд гликопротеинов, циркулирующих в кровяном русле человека и животных, являются транспортными белками, например функцию переносчика железа выполняет трансферрин, меди — церулоплазмин. Главный интегральный белок эритроцитарной мембраны участвует в транспорте анионов и, возможно, глюкозы.
3. Каталитическая функция. Углеводный компонент обнаружен в составе некоторых ферментов, в частности энтерокиназы, , пероксидазы, глюкозооксидазы, РНКазы и др.
4. Структурно-механическая функция. Эту функцию выполняют у различных видов живых организмов в основном протеогликаны. У позвоночных животных они входят в состав межклеточного вещества соединительной ткани. Протеогликаны содержатся в коже костях, хрящах, синовиальной жидкости суставных сумок, сухожилиях, клапанах сердца, стекловидном теле, роговице глаза и других тканях. Они придают им эластичность и устойчивость по отношению к сжатию. Протеогликаны, содержащие гиалуроновую кислоту, образуют очень вязкие растворы, что повышает стойкость ткани к проникновению инфекции. У многих бактерий защитная капсула ткани в основном построена из сложных белков, включающих гиалуроновую кислоту. Кроме того, данный протеогликан наряду с хондроитинсульфатом А выполняет роль смазки в суставах. Функцию защитной смазки выполняют гликопротеины — основные составные вещества муцинов слюны, желудочного и кишечного муцинов. Гликопротеины являются широко распространенными структурными компонентами различных клеточных мембран. К гликопротеинам относятся фибриноген, протромбин и некоторые другие факторы свертывания крови. В печени синтезируется гликозаминогликан — гепарин — важнейшее противосвертывающее вещество. Гликопротеинами являются и иммуноглобулины), некоторые гормоны — гонадогропные, фолликулостимулирующий, тиреоглобулин, ингибитор размножения вирусов животных — интерферон. С наличием гликопротеинов в оболочке ряда вирусов связывают гемагглютинирующую активность последних. Углеводный компонент повышает стабильность молекул гликопротеинов, предохраняя их от действия протеолитических ферментов. В сыворотке крови и мышцах антарктических рыб обнаружены гликопротеины — антифризы, защищающие клетки от замораживания. Некоторые соединительно-тканные протеогликаны (хондроитинсульфаты) способны набухать с поглощением большого количества воды, в связи с чем иногда играют роль депо воды. К гликопротеинам относится белок яиц — авидин. Он взаимодействует с витамином Н (биотин), препятствует его всасыванию из кишечника, что приводит к острой биотиновой недостаточности.
5. Хромопротеины. К хромопротеинам относятся сложные белки, у которых небелковой частью являются окрашенные соединения, принадлежащие к различным классам органических веществ: порфириновые структуры, флавинадениндинуклеотид (ФАД), флавинаденинмононуклеотид (ФМН) и др. Порфириновое кольцо с координационно связанным с ним ионом железа входит как простетическая часть в состав ряда окислительно-восстановительных ферментов (каталаза, пероксидаза) и группы переносчиков электронов— цитохромов. Хромопротеинами являются и флавиновые дегидрогеназы или «желтые дыхательные ферменты»—флавопротеины. Белковая часть их молекулы связана с ФАД или ФМН.. Типичными хромопротеинами являются родопсин и гемоглобин крови. Гемоглобин и другие дыхательные пигменты. составляет молекулярную основу дыхательной функции крови, т. е. способности транспортировать 0₂ и СО₂. К настоящему времени установлено, что гемоглобины различных видов состоят из белка глобина и гема (ферропротопорфирина), нековалентно связанных между собой. Отличия в свойствах гемоглобинов у разных видов животных обусловлены, в основном, глобиновым компонентом. Гем представляет собой достаточно плоскую молекулу, по форме приближающуюся к квадратной, в которой ион Fe²⁺ находится в центре ядра протопорфирина IX, причем его четыре лигандных места заняты атомами азота пиррола.

Физико-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕЛКОВ

1 Амфотерные свойства белков.

Белки являются амфотерными электролитами, так как в их молекуле присутствуют как кислотные, так и основные группировки. Кислотно-основные свойства белков определяются главным образом боковыми радикалами аминокислот, способными к ионизации. Вклад концевых NH₂- и СООН-групп крайне незначителен. Величины рК боковых радикалов аминокислот в составе белков несколько отличаются от таковых в свободных аминокислотах, поскольку степень ионизации групп в белках зависит от природы соседних боковых радикалов, т. е. от электростатического окружения. Присутствие диссоциирующих группировок в белках обусловливает определенный суммарный заряд молекулы, зависящий от рН среды.

Большинство природных  белков относится к кислым белкам благодаря значительному содержанию дикарбоновых кислот и поэтому при рН, близких к нейтральным, имеет, как и цитоплазма, в целом, отрицательный заряд. Аминокислоты с диссоциирующими боковыми радикалами входят в состав всех белков, где они преимущественно располагаются на поверхности глобулы и тем самым определяют гидрофильность молекулы в целом, а также ряд других физико-химических свойств белковых молекул. Распределение заряда на поверхности молекулы неравномерно, различные участки ее могут иметь противоположные заряды, стабилизированные диполями воды. Сдвиг рН среды приводит к изменению характера диссоциации радикалов, перераспределению зарядов на поверхности молекулы, следствием чего является изменение пространственной структуры белков и степени их биологической активности. Наличие большого числа точек диссоциации определяет и способность белковых молекул взаимодействовать с малыми ионами, в частности ионами металлов, другими заряженными макромолекулами, что очень важно для функционирования белка. Способность белков взаимодействовать как с катионами, так и с анионами имеет большое биологическое значение. Например, важную роль во многих физиологических процессах играет способность белков связывать катион кальция, что имеет непосредственное отношение к регуляции метаболических процессов. Для каждого белка существует такое значение активной реакции среды, при котором положительные и отрицательные заряды в молекуле скомпенсированы. Значение рН, при котором белок не несет суммарного заряда и не движется в электрическом поле, называют изоэлектрической точкой (ИЭТ) и обозначают как р1. Пепсин .................... 1,0 Уреаза .................... 5,1 Каталаза ................... 5,6 Рибонуклеаза ................. 7,8 Лизоцим ................... 11,0

Значение  рН, отвечающее ИЭТ белка, определяется числом его ионогенных групп и величинами их констант диссоциации (рК). ИЭТ выше 7, если белок содержит большое число остатков основных аминокислот, и менее 7 при преимущественном содержании кислых аминокислот.

Для большинства  глобулярных белков ИЭТ лежат  в кислой области (4,5—6,5). Однако есть и исключения. Так, например, фермент  пепсин, функционирующий в сильно кислой среде желудка, имеет ИЭТ около 1, а протамины—около 12. Суммарный заряд белковой молекулы положителен при рН<р1 и отрицателен, если рН>р1. Поскольку в ИЭТ молекула белка не несет суммарного заряда и между соседними молекулами отсутствует электростатическое отталкивание, белки легко осаждаются из растворов при рН, равном их ИЭТ. Изоэлектрическую точку белка следует отличать от изоионной точки, так как эти величины не всегда совпадают. Изоионной точкой белка называется то значение рН, при котором число протонов, связанных с основными группами, равно числу протонов, отданных диссоциированными кислотными группами в белковой молекуле. Таким образом, изоионной точке соответствует значение рН, при котором суммарный заряд белковой молекулы равен нулю в условиях полного отсутствия электролитов в растворе. Следовательно, изоэлектрическая и изоионная точки совпадают только в том случае, когда раствор белка не содержит никаких других ионов, кроме ионизированных остатков аминокислот белковой молекулы и ионов, образующихся при диссоциации воды. Прямое измерение изоионной точки затруднено, поэтому ее определяют, измеряя ИЭТ при различных концентрациях солей и экстраполируя к нулевой концентрации. В отсутствие солей и при значении изоионной точки вблизи рН 7 она будет почти совпадать с изоэлектрической. Однако в присутствии солей различие между этими точками может быть весьма значительным. Белки, являясь амфотерными электролитами, проявляют буферные свойства.

Растворимость белков. Подавляющее большинство белков—гидрофильные вещества, хорошо растворяющиеся в водных растворах. Растворимость их, как и других высокомолекулярных веществ, определяется природой тех групп, которые оказываются на поверхности молекулы при ее пространственной укладке в нативную конформацию. Большая часть поверхности белковой молекулы образована группами, способными гидратироваться. Под гидратацией понимается связывание диполей воды с ионными и полярными группами. Ионными, несущими заряд, группами в белках являются радикалы, способные к диссоциации. В диссоциированном состоянии они притягивают молекулы воды за счет ион-дипольных взаимодействий. Неионные полярные боковые радикалы аминокислот (аспарагин, глутамин, серии, треонин) образуют с водой водородные связи. К образованию водородных связей с водой способны кислород и водород, входящие в состав пептидных групп, поскольку эти атомы несут избыточный отрицательный и положительный заряды. Однако доступ воды к пептидным группам затруднен из-за стерического препятствия, создаваемого боковыми радикалами аминокислот, поэтому значительного вклада в гидрофильность белков они не вносят. Растворимость белков в воде возрастает при добавлении небольших концентраций нейтральных солей этот эффект называют солевым растворением. Растворению белков, как и других веществ, способствуют те факторы, которые уменьшают взаимодействие между молекулами растворяемого вещества. Нейтральные соли в малых концентрациях увеличивают степень диссоциации ионизированных групп белка, экранируют заряженные группы белковых молекул и тем самым уменьшают белок-белковое взаимодействие.. В результате вода усиливает диссоциацию растворенного вещества, в частности белка. Входя между заряженными группами и ориентируясь вокруг них, диполи воды препятствуют их взаимодействию. Высокие концентрации нейтральных солей, напротив, осаждают (высаливают) белки из водных растворов, наиболее активно это происходит в ИЭТ белка. Относительная эффективность высаливающего действия различных ионов зависит от их размера, величины заряда, способности к гидратации. При больших концентрациях ионов в растворе они оттягивают к себе от заряженных групп белка поляризованные молекулы воды и частично лишают тем самым белок гидратной оболочки, которая предотвращает его осаждение .Растворимость белков зависит также от рН  и температуры. Минимальной растворимостью, как указывалось выше, обладают белки в ИЭТ, что объясняется отсутствием электростатического отталкивания между молекулами белка.

 Добавление к белковому раствору смешивающихся с водой органических растворителей (этанол, ацетон) уменьшает растворимость белков, а при больших концентрациях растворителей наблюдается выпадение белков в осадок.

 В растворах белки проявляют коллоидные свойства: они медленно диффундируют, не проходят через полупроницаемую мембрану, рассеивают свет, характеризуются высокой вязкостью. Однако следует иметь в виду, что белковые растворы не являются типичными коллоидными растворами, так как белки диспергированы до единичных молекул и образуют гомогенный раствор. Сходство белковых и коллоидных растворов основано на том, что молекулы белков имеют размеры, приближающиеся к размеру мицелл коллоидного раствора .Образование коллоидных растворов белками и другими биологическими макромолекулами обусловливает многие физико-химические явления, наблюдающиеся в биологических жидкостях и организмах в целом. Растворы белков, как и все коллоидные растворы, могут при определенных условиях терять свою текучесть и образовывать гели, или студни. Гели возникают в результате объединения молекул в виде сетки, внутреннее пространство которой заполнено большим количеством растворителя, при этом разделения на жидкую и твердую фазы, как в случае коагуляции, не происходит. Полагают, что в ряде растительных и животных тканей белки находятся не только в виде растворов, но и гелей (в протоплазме клеток, хрусталике глаза, соединительной ткани и др.). В состояние геля белковые растворы, например молоко, могут переходить под воздействием ферментов микроорганизмов, результатом чего является образование простокваши, кефира. При подготовке растений к зимнему периоду жизни, в процессе так называемого осеннего «закаливания» происходит переход части белков из растворенного состояния в гелеобразное. Гели со временем стареют, отслаивают воду и делятся на две фазы: уплотненный гель и разведенный золь. Этот процесс получил название синерезиса, он протекает, например, при стоянии кефира. Одним из свойств гелей является их способность к набуханию — увеличению объема за счет связывания большого количества воды. Такой процесс происходит, например, при прорастании семян. Белки соединительных тканей животных, поглощая воду, осуществляют тем самым ее запасание организмом. Набухание играет большую роль в технологии кожевенной промышленности, хлебопечении.

В растворах белков и других высокомолекулярных соединений может наблюдаться явление коацервации—слияния водных оболочек нескольких частиц без объединения самих частиц. Коацерваты возникают при ограниченной растворимости компонентов раствора, это служит причиной появления коацерватных капель. Коацерваты образуются, например, из белков с противоположными зарядами. Им придают большое значение в теории происхождения жизни, однако в отличие от биологических неравновесных структур коацерваты термодинамически равновесны.