Строение белковой молекулы . Полипептидное строение белков

 Благодаря  гидрофильным и гидрофобным группировкам  белки могут влиять на растворимость  других веществ, выступая в  роли эмульгаторов — веществ, стабилизирующих эмульсию, которую образуют взаимно нерастворимые жидкости (вода—масло). В организме человека в эмульгированном состоянии находятся жиры в крови и лимфе. Белок образует на поверхности капелек жира тонкую пленку, которая притягивает воду и препятствует слипанию жировых частичек. Одной из причин образования мочевых и желчных камней может быть недостаток в организме муцинов—слизистых гликопротеинов, обволакивающих гидрофобные микрочастицы и способствующих тем самым их выведению из организма. Как эмульсию можно рассматривать и молоко, представляющее собой эмульгированные казеиногеном капельки жира в воде.

Денатурация белков. Под денатурацией белка понимают нарушение натнвной пространственной структуры белковой молекулы, приводящее к уменьшению или полной потере ее растворимости, изменению других физико-химических свойств белка, утрате специфической биологической активности. Денатурация не сопровождается разрывом ковалентных связей в остове полипептидной цепи. Происходит расщепление дисульфидных мостиков, гидрофобных, ионных, водородных связей. В результате нарушается нативная третичная структура и в значительной мере вторичная. Денатурацию белковых молекул вызывают как некоторые химические соединения, так и физические факторы. Механизм денатурирующего воздействия химических агентов определяется их строением. Например, мочевина, гуанидинхлорид, формамид благодаря наличию амндной группировки конкурируют с пептидными группировками белка за водородные связи, переключая их на себя. Эти реагенты нарушают также гидрофобные взаимодействия. Денатурирующее действие умеренно полярных органических Растворителей (низшие спирты, этиленгликоль, диоксан, диметилсульфоксид и др.) связано с резким уменьшением растворимости белков, вследствие чего увеличиваются электростатические силы взаимодействия между заряженными группами. Образование прочных внутри- и межмолекулярных ионных связей и приводит к денатурации белков. Органические растворители нарушают гидрофобные взаимодействия в молекулах белков. Неполярные алифатические и ароматические углеводороды разрушают внутримолекулярные гидрофобные связи белков вследствие прямого взаимодействия с их гидрофобными группами. Ионные детергенты, например додецилсульфат натрия, соединяются с противоположно заряженными группами белка. Электростатическое отталкивание оставшихся в пептидной цепи одноименно заряженных групп приводит к разрыву водородных связей и других слабых взаимодействий, стабилизирующих нативную конформацию белка. Денатурирующими агентами являются также катионы тяжелых металлов. Эти вещества, по-видимому, образуют достаточно прочные соединения с полярными группами белков, искажая систему ионных и водородных связей. Многие белки денатурируют при сильном подкислении (рН <2—3) или подщелачивании (рН>10—11). В этих условиях практически все диссоциирующие группы белка имеют одноименный заряд. Взаимное отталкивание одноименных зарядов вызывает разрыв части слабых связей, в результате чего нарушается нативная структура. Однако необходимо учитывать, что некоторые белки достаточно устойчивы при крайних значениях рН. Например, при рН 2 довольно стабильны гистоны, протамины, лизоцим, а у пепсина при рН 1,5—2,2 активность даже максимальна. Лизоцим, гистоны и протамины устойчивы и при рН 10, а у щелочных фосфатаз и аргиназы оптимум рН каталитической активности лежит в интервале 9,5—9,7. Из физических факторов денатурации наиболее общим является нагревание. Усиление теплового движения полипептидных цепей приводит к разрыву водородных связей и нарушению гидрофобных взаимодействий. Скорость тепловой денатурации существенно зависит от активной реакции среды, присутствия солей, их концентрации. Тепловая денатурация сопровождается агрегацией белков, выпадением их в осадок, что представляет собой уже вторичное явление. Существуют многочисленные данные о том, что у термофильных микроорганизмов большинство белков обладает повышенной термостабильностью. При нагревании до 60°С они не денатурируют, претерпевают лишь небольшие конформационные изменения, в то время как у белков мезофиллов (организмы, обитающие при обычных, средних температурах) при +60°С наблюдается существенная денатурация. У мезофиллов лишь редкие белки обладают повышенной термостабильностью. Белки денатурируют и при многих механических воздействиях: высоком давлении (5000—10000 атм), растирании сухих препаратов, энергичном встряхивании растворов, облучении звуковыми волнами высокой частоты.

При лиофилизации большинство белков не денатурирует, что позволяет использовать этот способ сушки для получения белковых препаратов длительного хранения. Физическими факторами денатурации белков являются также ультрафиолетовый свет (особенно в границах 260—310 нм), ионизирующее излучение. Денатурация белка происходит также при распределении его на границе раздела двух фаз, такая поверхностная денатурация наблюдается при вспенивании белковых растворов в процессе выделения белков и при образовании пены на поверхности водоемов. При денатурации белков изменяются многие физико-химические свойства белка: растворимость, константа седиментации, вязкость, оптические свойства и др. В процессе денатурации белков с четвертичной структурой может происходить их диссоциация на субъединицы. В белке существенно уменьшается количество участков с регулярными типами вторичной структуры, снижается количество внутримолекулярных водородных связей и возрастает число этих связей между белком и водой. Поскольку при денатурации происходит нарушение гидрофобных взаимодействий в процессе развертывания белковой молекулы и гидрофобные группы оказываются на поверхности молекулы, это вызывает потерю растворимости и набухаемости белков в водных растворах.. Превращение компактной молекулы в беспорядочный клубок, происходящее при денатурации, приводит к тому, что большинство пептидных связей становится доступным действию протеолитических ферментов. В связи с этим протеолиз денатурированных белков протекает с большей скоростью, чем нативных. Потеря белками биологической активности выражается в инактивации ферментов, гормонов, вирусов Полная денатурация белка в большинстве случаев необратима.

Белки в питании

. Принятые в нашей стране  нормы белка для взрослого  человека и для детей разного  возраста основаны на результатах  многочисленных научных исследований  отечественных ученых, учитывают  разные климатические условия,  условия труда, профессию, возраст  и другие факторы. Эти нормы  выводятся из оптимального содержания  белка в пищевом рационе. Так,  взрослый человек, занимающийся  умственным трудом или подвергающийся  средней физической нагрузке (полностью  механизированный труд), должен получать 100–120 г белка в сутки при  трате общего количества энергии  12000 кДж. При изменении условий  труда (недостаточно механизированный  труд) и больших тратах энергии  норма белка увеличивается на  10 г на каждые 2100 кДж. Рабочие, выполняющие тяжелую физическую работу, должны получать 130–150 г белка в сутки.

Потребности в белках детей определяются в первую очередь возрастом и  массой тела. Дети даже раннего детского возраста нуждаются в 55–72 г белка  в сутки. С возрастом (от 12 до 15 лет) эта норма увеличивается до суточной нормы взрослого человека. Суточные потребности в белке резко  возрастают при беременности и лактации, а также при некоторых патологических состояниях, когда организм теряет белок с мочой или асцитной жидкостью, экссудатами при нефритах, тяжелых инфекционных заболеваниях, ожогах, травмах и т.д.

По-видимому, справедливо положение, что, чем ближе аминокислотный состав принимаемого пищевого белка к аминокислотному  составу белков тела, тем выше его биологическая ценность. Следует, однако, отметить, что степень усвоения пищевого белка зависит также от эффективности его распада под влиянием ферментов желудочно-кишечного тракта. Ряд белковых веществ (например, белки шерсти, волос, перьев и др.), несмотря на их близкий аминокислотный состав к белкам тела человека, почти не используются в качестве пищевого белка, поскольку они не гидролизуются протеиназами кишечника человека и большинства животных. С понятием биологической ценности белков тесно связан вопрос об эссенциальных (незаменимых) аминокислотах. Живые организмы существенно различаются в зависимости от их способности синтезировать аминокислоты или другие азотсодержащие соединения, которые они могут использовать для биосинтеза аминокислот. Высшие растения, например, могут синтезировать все необходимые для белкового синтеза аминокислоты, причем могут использовать для этого аммиак или нитраты в качестве источника азота. Микроорганизмы обладают различной способностью синтезировать аминокислоты. В частности, если Е. coli синтезирует все аминокислоты, используя нитриты и нитраты или аммиак, то мо-лочно-кислые бактерии не обладают этой способностью и получают аминокислоты в готовом виде из молока. Высшие позвоночные животные не синтезируют все необходимые аминокислоты. В организме человека и белых крыс синтезируются только 10 из 20 необходимых аминокислот – так называемые заменимые аминокислоты. Они могут быть синтезированы из продуктов обмена углеводов и липидов. Остальные 10 аминокислот не синтезируются в организме, поэтому они были названы жизненно необходимыми, эссенциальными, или незаменимыми аминокислотами

Незаменимость аминокислот для  роста и развития организма животных и человека объясняется отсутствием  способности клеток синтезировать  углеродные скелеты незаменимых  аминокислот, поскольку процесс  ами-нирования соответствующих кетопроизводных осуществляется сравнительно легко посредством реакций трансаминирования (см. далее). Следовательно, для обеспечения нормальной жизнедеятельности человека и животных все эти 10 аминокислот должны поступать с пищей.

Следует отметить, что для взрослого  человека аргинин и гистидин оказались  частично заменимыми. Г. Роуз наблюдал людей, получавших искусственную пищу, в которой белок был полностью заменен смесью 20 аминокислот. Он установил, что для сохранения нормальной массы тела и работоспособности имеют значение не только определенное количество каждой аминокислоты и соотношение незаменимых аминокислот в подобной диете, но и содержание в последней общего азота (табл. 12.2).

Исключение какой-либо незаменимой  аминокислоты из пищевой смеси сопровождается развитием отрицательного азотистого баланса, истощением, остановкой роста, нарушениями функции нервной  системы и др. В опытах на крысах были установлены следующие величины незаменимых аминокислот, необходимых  для оптимального роста, относительно триптофана, принятого за единицу: лизина 5; лейцина 4; валина 3,5; фенил-аланина 3,5; метионина 3; изолейцина 2,5; треонина 2,5; гистидина 2; аргинина 1. Имеются доказательства, что примерно такое же соотношение незаменимых аминокислот требуется для человека.

Следует особо подчеркнуть, что  недостаток в пище одной незаменимой  аминокислоты ведет к неполному  усвоению других аминокислот. Вместе с тем в опытах на животных было показано, что потребности в незаменимом фенилаланине могут быть частично компенсированы заменимой аминокислотой тирозином, потребности в метионине – гомоцистеином с добавлением необходимого количества доноров метильных групп. Глутаминовая кислота снижает потребности в аргинине. Необходимо учитывать и видовые различия при определении незаменимости отдельных аминокислот. Для цыплят, например, глицин оказался незаменимым фактором роста.

Для оценки биологической ценности пищевого белка важное значение имеет знание его аминокислотного состава. Так, скармливание крысам казеина (белок молока) и выделенного из кукурузы белка зеина, который не содержит лизина и практически триптофана, показало, что при получении с пищей казеина рост животных не нарушался. Замена казеина зеином приводила к постепенному отставанию в росте и снижению массы тела животных. Добавление к зеину только триптофана предотвращало снижение массы тела, но не увеличивало рост; при добавлении к рациону еще и лизина масса тела прогрессивно нарастала.

Таким образом, скармливание выделенного  из кукурузного зерна белка зеина, не содержащего двух незаменимых аминокислот, приводит к остановке роста, уменьшению массы тела животных и развитию отрицательного азотистого баланса.

Человек и животные питаются не искусственно выделенными, а натуральными белками, входящими в состав смешанной  пищи, в которой обычно содержится весь набор незаменимых аминокислот. Так, цельное кукурузное зерно содержит 2,5% лизина, 0,7% триптофана, в то время как зеин не содержит лизина вообще, а триптофана в нем всего 0,1%. Этот пример лишний раз свидетельствует о том, что в природе неполноценных белков почти не существует и что следует, очевидно, лишь различать биологически более ценные и менее ценные (в питательном отношении) белки (табл. 12.3).

Биологическая ценность пищевого белка  целиком зависит от степени его  усвоения организмом, что в свою очередь определяется соответствием  между аминокислотным составом потребляемого  белка и аминокислотным составом белков организма. Такой пищевой  белок лучше используется организмом для синтеза белков тканей. Для  человека, например, белки мяса, молока, яиц биологически более ценны, поскольку  их аминокислотный состав ближе к  аминокислотному составу органов  и тканей человека. Однако это не исключает приема растительных белков, в которых содержится необходимый  набор аминокислот, но в другом соотношении. Поэтому для обеспечения биосинтеза необходимого количества эндогенных белков человеку потребуется значительно  больше растительных белков, чем животных.

Белковый обмен представляет собой сложный процесс, обеспечивающий у здорового человека динамическое равновесие между биосинтезом (анаболизмом) белков, протекающим с использованием энергии, и распадом (катаболизмом) белков, сопровождающимся выделением энергии. При этом,  белки пищи должны содержать необходимое количество незаменимых аминокислот. Потребности в белках детей определяются в первую очередь возрастом и массой тела. При этом суточный азотистый баланс для них должен быть положительным.

10 аминокислот  не синтезируются в организме,  поэтому они были названы жизненно  необходимыми, эссенциальными, или незаменимыми аминокислотами (Валин, лейцин, изолейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, фенилаланин,  частично заменимые аргинин и гистидин). Аргинин и гистидин для детей незаменимы Исключение какой-либо незаменимой аминокислоты из пищевой смеси сопровождается развитием отрицательного азотистого баланса, истощением, остановкой роста, нарушениями функции нервной системы, снижением работоспособности и сопротивляемости к инфекционным заболеваниям.

Особенно  ценны незаменимые аминокислоты триптофан, лизин, метионин, содержащиеся в основном в продуктах животного происхождения, соотношение которых в пищевом рационе должно составлять 1:3:3.

.

Гистидин  является предшественником важного  биоамина – гистамина. Аргинин участвует в синтезе креатина в почках, участник орнитинового цикла мочеобразования,  участвует в образовании ионных связей и в формировании гидратной оболочки белков

Биологическая ценность белка зависит от содержания и сбалансированности незаменимых аминокислот. Чем больше в нем незаменимых аминокислот, тем он ценней. Белок, содержащий все восемь незаменимых аминокислот называют полноценным. Источником полноценных белков являются все животные продукты: молочные, мясо, птица, рыба, яйца.

Растительные  продукты содержат белков меньше и они в основном неполноценные, кроме бобовых (особенно соя), в которых содержится много полноценных белков.

Обмен белков занимает особое место  в многообразных превращениях веществ, характерных для всех живых организмов. Выполняя ряд уникальных функций, свойственных живой материи, белки определяют не только микро- и макроструктуру отдельных  субклеточных образований, специфику  организации клеток, органов и  целостного организма (пластическая функция), но и в значительной степени динамическое состояние между организмом и  окружающей его средой. Белковый обмен  строго специфичен, направлен и настроен, обеспечивая непрерывность воспроизводства  и обновления белков организма. В  течение всей жизнедеятельности  в организме постоянно и с  высокой скоростью совершаются  два противоположных процесса: распад, расщепление органических макромолекул и надмолекулярных структур и  синтез этих соединений. Эти процессы обеспечивают катаболические реакции и создание сложной структурной организации живого из хаоса веществ окружающей среды, причем ведущую роль в последнем случае играют именно белки. Все остальные виды обмена подчинены этой глобальной задаче живого – самовоспроизведению себе подобных путем программированного синтеза специфических белков. Для осуществления этого используются энергия обмена углеводов и липидов, строительный материал в виде углеродных остатков аминокислот, промежуточных продуктов метаболизма углеводов и др.