Названия аминокислот, аминокислотных радикалов в пептидах и форм с ионизированной боковой группой

Однобуквенное обозначение	Трехбуквенное обозначение	Полное название аминокислоты		Название радикала в пептидах
		English	Русское	English	Русское
A	Ala	Alanine	Аланин	Alanyl	Аланил
R	Arg	Arginine	Аргинин	Arginyl	Аргинил
N	Asn	Asparagine	Аспарагин	Asparaginyl	Аспарагинил
D	Asp	Aspartic Acid	Аспарагиновая кислота	Aspartyl	Аспартил
C	Cys	Cysteine	Цистеин	Cystyl	Цистеинил
Q	Gln	Glutamine	Глутамин	Glutaminyl	Глутаминил
E	Glu	Glutamic Acid	Глутаминовая кислота	Glutamyl	Глутамил
G	Gly	Glycine	Глицин	Glycyl	Глицил
H	His	Histidine	Гистидин	Histidyl	Гистидил
I	Ile	Isoleucine	Изолейцин	Isoleucyl	Изолейцил
L	Leu	Leucine	Лейцин	Leucyl	Лейцил
K	Lys	Lysine	Лизин	Lysyl	Лизил
M	Met	Methionine	Метионин	Methionyl	Метионил
F	Phe	Phenylalanine	Фенилаланин	Phenylalanyl	Фенилаланил
P	Pro	Proline	Пролин	Prolyl	Пролил
S	Ser	Serine	Серин	Seryl	Серил
T	Thr	Threonine	Треонин	Threonyl	Треонил
W	Trp	Tryptophan	Триптофан	Tryptophanyl (tryptophyl)	Триптофанил (триптофил)
Y	Tyr	Tyrosine	Тирозин	Tyrosyl	Тирозил
V	Val	Valine	Валин	Valyl	Валил

Классификация АК

 

По химическому строению

1. 1)      Алифатические – глицин (Гли), аланин (Ала), валин (Вал), лейцин (Лей), изолейцин (Илей);

2. 2)      Оксикислоты – серин (Сер), треанин (Тре);

3. 3)      Дикарбоновые – аспарагин (Асп), глутамин (Глу), аспарагиновая кислота (Аск), глутаминовая кислота (Глк);

4. 4)      Двуосновные – лизин (Лиз), гистидин (Гис), аргинин (Арг);

5. 5)      Ароматические – фениналанин (Фен), тирозин (Тир), триптофан (Три);

6. 6)      Серосодержащие – цистеин (Цис), метионин (Мет).

 

По биохимической роли:

1. 1)      глюкогенные – через ряд химических превращений поступают на путь гликолиза (окисления глюкозы) – Гли, Ала, Тре, Вал, Аск, Глк, Арг, Гис, Мет.

2. 2)      кетогенные – участвуют в образовании кетоновых тел - Лей, Илей, Тир, Фен.

По заменимости:

1. 1)      Незаменимые – не синтезируются в организме – Гис, Иле, Лей, Лиз, Мет, Фен, Тре, Три, Вал, а у молодняка Арг, Гис.

2. 2)      Заменимые – остальные.

 

 

За счет наличия в молекуле АК одновременно аминной и карбоксильной групп этим соединениям присущи кислотно-основные свойства. В нейтральной среде АК существуют в виде биполярных ионов - цвиттер-ионов т.е.

не NH₂ – R – COOH , а NH₃⁺ – R - COO ^–

 

Образование пептидной связи. Если карбоксильная группа одной АК ацилирует аминогруппу другой АК, от образуется амидная связь, которую называют пептидной. Т. о. пептиды – это соединения, образованные из остатков альфа-АК, соединенных между собой пептидной связью.

 

Данная связь достаточно стабильна и разрыв ее происходит лишь при участии катализаторов – специфических ферментов. Посредством такой связи АК объединяются в достаточно длинные цепочки, которые носят название полипептидных. Каждая такая цепь содержит на одном конце АК со свободной аминогруппой – это N-концевой остаток, и на другом с карбоксильной группой – С-концевой остаток.

 

Полипептиды, способные самопроизвольно формировать и удерживать определенную пространственную структуру, которая называется конформацией, относят к белкам. Стабилизация такой структуры возможна лишь при достижении полипептидами определенной длины, поэтому белками обычно считают полипептиды молекулярной массой более 5 000 Да. (1Да равен 1/12 изотопа углерода). Только имея определенное пространственное строение, белок может функционировать.

 

 

Уровни организации белковой молекулы.

 

В современной литературе принято рассматривать 4 уровня организации структуры молекулы белка.

 

Последовательность аминокислотных остатков, соединенных между собой пептидной связью называют первичным уровнем организации белковой молекулы. Она кодируется структурным геном каждого белка. Связи: пептидная и дисульфидные мостики между относительно близко расположенными остатками цистеинов. Это ковалентные взаимодействия, которые разрушаются только под действием протеолитических ферментов (пепсин, трипсин и т.д.).

 

Вторичной структурой называют пространственное расположение атомов главной цепи молекулы белка. Существует три типа вторичной структуры: альфа-спираль, бета-складчатость и бета-изгиб. Образуется и удерживается в пространстве за счет образования водородных связей между боковыми группировками АК основной цепи. Водородные связи образуются между электроотрицательными атомами кислорода карбонильных групп и атомами водорода двух аминокислот.

 

Альфа-спираль – это пептидная цепь штопорообразно закрученная вокруг воображаемого цилиндра. Диаметр такой спирали 0,5 А. В природных белках обнаружена только правая спираль. Некоторые белки (инсулин) имеют две параллельные спирали. Бета-складчатость – полипептидная цепь собрана в равнозначные складки. Бета-изгиб – образуется между тремя аминокислотами за счет водородной связи. Он необходим для изменения пространственного расположения полипептидной цепи при образовании третичной структуры белка.

 

Третичная структура – это свойственный данному белку способ укладки полипептидой цепи в пространстве. Это основа функциональности белка. Она обеспечивает стабильность обширных участков белка, состоящих из множества аминокислотных остатков и боковых групп. Такие упорядоченные в пространстве участки белка формируют активные центры ферментов или зоны связывания и повреждение третичной структуры приводит к утрате функциональной активности белка.

 

Стабильность третичной структуры зависит в основном от нековалентных взаимодействий внутри белковой глобулы – преимущественно водородных связей и ван-дер-ваальсовых сил. Но некоторые белки дополнительно стабилизируются за счет таких ковалентных взаимодействий как дисульфидные мостики межу остатками цистеина.

 

Большинство белковых молекул имеют участки как альфа-спирали так и бета-складчатости. Но чаще по форме третичной структуры разделяют глобулярные белки – построенные преимуществено из альфа-спиралей и имеющеие форму шара или элипса (большинство ферментов). И фибрилярные – состоящие пеимущественно из бета-складчатости и имеющие сплющенную или нитевидную формы (пепсин, белки соединительной такни и хряща).

 Но, кроме того, что сам белок при попадании в водный раствор примет ту конформацию, в которой он должен работать, в клетке еще есть белки, которые называются шапероны (от слова shape - форма), которые помогают другим белкам правильно сворачиваться. Если белки сворачиваются неправильно, то это может иметь катастрофические последствия. Несколько лет назад в Европе была эпидемия коровьего бешенства, и большое количество коров пришлось уничтожить. Коровье бешенство (губчатая энцефалопатия – мозг животного становится похож на губку) вызывается не вирусом и не бактерией, а особым клеточным агентом – неправильно свернутым белком. Этот белок приводит к образованию в клетке конгломератов, то есть, белки буквально выпадают в осадок, и жизнь клетки нарушается, прежде всего влияя на нервную систему. Это происходит потому, что белки, которые в норме в клетке взаимодействовали бы с этим белком, не могут этого сделать, так как он свернут неправильно, и поэтому клетка начинает неправильно функционировать. Таким образом, это болезнь неправильно свернутых белков. Эта эпидемия разразилась после того, как стали применять новую технологию переработки костной муки. При более низких температурах белки из костей больных животных, которые после переработки шли в качестве добавки к корму, перестали уничтожаться, а стали попадать в корм, вызвав тем самым эпидемию. Каким же образом неправильно свернутые белки попадают из пищеварительного тракта в мозг? Оказывается, что клеточные механизмы (ферменты протеазы), которые уничтожают отработанные белки, этот белок разрушить не могут. И прионные белки, не меняясь, могут очень долго сохраняться в организме. К тому же, некоторые белки устойчивы к воздействию температур.      

У людей есть аналог этой болезни. Это инфекционное заболевание называется куру. Оно описано у народов, имеющих привычку съедать мозги умерших предков (из уважения к последним). В них как раз и находились инфекционные белки. Это так называемая медленная инфекция (белок ведь, в отличие от вируса, не размножается, а постепенно высаживает на себя другие клеточные белки, распространяя вокруг себя плохую «привычку» неправильно сворачиваться). Есть схожая болезнь у овец скрейпи (характер такой же, просто дело в другом белке). И еще есть наследственное заболевание, которое называется синдром Крейтцфельда-Якоба. В одном из белков, который функционирует в мозгах, происходит мутация. В других клетках этот белок также есть, но просто, в первую очередь, нарушения сказываются на нервные ткани, так как они эволюционно самые молодые, и поэтому наиболее чувствительны к любым нарушениям в функционировании клетки. Эта мутация не позволяет белку правильно свернуться, и поэтому у человека развиваются все те же симптомы, что и при коровьем бешенстве у животных.

Размещение в пространстве взаимодействующих между собой субъединиц, образованных отдельными полипептидными цепями, называется четвертичной структурой. Т.е. в формировании четвертичной структуры участвуют не пептидные цепи сами по себе, а глобулы, образованные каждой из этих цепей в отдельности. Четвертичная структура – это высший уровень организации белковой молекулы и он присущ далеко не всем белкам. Связи, формирующие эту структуру нековалентные: водородные, электростатического взаимодействия.

 

Фундаментальный принцип молекулярной биологии: последовательность аминокислотных остатков полипептидной цепи белка несет в себе всю информацию, которая необходима для формирования определенной пространственной структуры. Т.е. имеющаяся в данном белке аминокислотная последовательность предопределяет образование альфа- или бета-конформации вторичной структуры за счет образования между этими АК водородных или дисульфидных связей и в дальнейшем формирование глобулярной или фибрилярной структуры также за счет нековалентных взаиомдействий между боковыми учатками определенных аминокислот.

 Функции белков

 

1. 1)   Структурная (пластическая) – белками образованы многие клеточные компоненты, а в комплексе с липидами они входят в состав клеточных мембран.

1. 2)   Каталитическая – все биологические катализаторы – ферменты по своей химической природе являются белками.

2. 3)   Транспортная – белок гемоглобин транспортирует кислород, ряд других белков образуя комплекс с липидами транспортируют их по крови и лимфе (пример: миоглобин, сывороточный альбумин).

3. 4)   Механохимическая – мышечная работа и иные формы движения в организме осуществляются при непосредственном участии сократительных белков с использованием энергии макроэргических связей (пример: актин, миозин).

4. 5)   Регуляторная – ряд гормонов и других биологически активных веществ имеют белковую природу (пр.: инсулин, АКТГ).

5. 6)   Защитная – антитела (иммуноглобулины) являются белками, кроме того основу кожи составляет белок коллаген, а волос – креатин. Кожа и волосы защищают внутреннюю среду организма от внешних воздействий. В состав слизи и синовиальной жидкости входят мукопротеиды.

6. 7)   Опорная – сухожилия, поверхности суставов соединения костей образованы в значительной степени белковыми веществами (пр.: коллаген, эластин).

7. 8)   Энергетическая – аминокислоты белков могут поступать на путь гликолиза, который обеспечивает клетку энергией.

8. 9)   Рецепторная – многие белки участвуют в процессах избирательного узнавания (рецепторы).

Физико-химические свойства

 Молекулярная масса измеряется в атомных единицах массы, показывающих во сколько раз молекула белка тяжелее 1/12 атома углерода. С величиной молекулярной массы белка пишется D (дальтон) размерность которого соответствует атомной единице массы, но подчеркивающий что она относится к белку или другому биополимеру.

Растворы белка относятся к растворам ВМС и обладают рядом свойств гидрофильных коллоидов: медленной диффузией, высокой вязкостью, опаслеценцией, дают конус Тиндаля.

 

1. 1)      Амфотерность связана с наличием в молекуле белка катионообразующих групп – аминогрупп и анионообразующих – карбоксильных группу. Знак заряда молекулы зависит от количества свободных групп. Если преоблазают карбоксильные группы то заряд молекулы отрицательный (проявляются свойства слабой кислоты), если аминогруппы – то положительный (основные свойства).

Заряд белка также зависит от рН среды. В кислой среде молекула приобретает положительный заряд, в щелочной – отрицательный.

 

[ NH₃⁺ - R – COO^- ] ⁰

pH > 7 [ OH^- ] 7 > pH [ H⁺ ]

[ NH₂ - R – COO^- ]^- [ NH₃⁺ - R – COOH]⁺

 

 

 

Значение рН при котором число разноименных зарядов в белковой молекуле одинаково, т. е. суммарный заряд равен нулю называется изоэлектрической точкой данного белка. Устойчивость белковой молекулы к воздействию физических и химических факторов в изоэлектрической точке наименьшая.

Большинство природных белков содержат значительное количество дикарбоновых аминокислот и поэтому относятся к кислым белкам. Их изоэлектрическая точка лежит в слабокислой среде.

 

2. 2)      Растворы белков обладают буферными свойствами за счет их амфотерности.

 

3. 3)      Растворимость. Поскольку молекула белка содержит полярные амино – и карбоксильные группы, то в растворе поверхностные остатки АК гидратируются – происходит образование коацервата.

 

4. 4)      Коацервация - слияние водных оболочек нескольких частиц, без объединения самих частиц.

 

5. 5)      Коагуляция – склеивание белковых частиц и выпадение их в осадок. Это происходит при удалении их гидратной оболочки. Для этого достаточно изменить структуру частицы белка, так, чтобы ее гидрофильные группы, которые связывают воду растворителя, оказались внутри частицы. Реакции осаждения балка в растворе делятся на две группы: обратимые (высаливание) и необратимые (денатурация).

 

6. 6)      Денатурацией называется существенное изменение вторичной и третичной структуры белка, т. е. Нарушение системы нековалентных взаимодействий, не затрагивающее его ковалентной (первичной) структуры. Денатурированный белок лишен всякой биологической активности в клетке и в основном используется как источник аминокислот. Денатурирующими агентами могут быть химические факторы: кислоты, щелочи, легко гидратирующие соли, органические растворители, различные окислители. К физическим факторам могут быть отнесены: действие высокого давления, многократное замораживание и оттаивание, ультразвуковые волны, УФ-лучи, ионизирующая радиация. Но наиболее распространенным физическим фактором денатурации белка является повышение температуры.

В ряде случаев денатурированный белок в клетке может быть подвергнут ренатурации, т. е. свернут обратно в первоначальную пространственную структуру. Этот процесс происходит при участии специфических белков, так называемых белков теплового шока (heat shock proteins или hsp) молекулярной массой 70 кДа. Данные белки синтезируются в клетках в большом количестве при воздействии на нее (или весь организм) неблагоприятных факторов, в частности повышенной температуры. Присоединяясь к развернутой полипептидной цепи hsp 70 быстро сворачивают ее в правильную первоначальную структуру.

 Оптическая активность – способность белка взаимодействовать с электромагнитным излучением ультрафиолетового, видимого и инфракрасного спектров. Пептидная связь поглощает свет в диапазоне 190-220 нм, ароматические аминокислоты поглощают свет при длинах волн 260 и 280 нм. Растворы белка преломляют свет (рефрактометрический эффект), рассеивают свет (нефелометрический эффект).

Акустическая активность – способность белка в растворе взаимодействовать с ультразвуком, поглощая, рассеивая и преломляя ультразвуковые волны.

Методы исследования белка

Белки исследуют методами, позволяющими разделить их по тем или иным особенностям проявления физико-химических свойств – высаливание, ультрафильтрация, электрофорез, хроматография, ультрацентрифугирование.

Первичная структура белка исследуется методами:

Классификация белков

 Совокупность всех белков организма человека определяют как протеом.

Белки классифицируют по разным свойствам.

По растворимости: водорастворимые, солерстворимые, спирторастворимые, нерастворимые и пр.

 

По конформационной структуре: фибриллярные, глобулярные.

 

По химическому строению: протеины – состоят только из аминокислот = простые белки, протеиды – помимо АК имеют в составе небелковую часть (углеводы, липиды, металлы, нуклеиновые кислоты) – сложные белки.

 

Простые белки (протеины):

1. 1)                       Альбумины – растворимы в воде, не растворимы в конц. растворах солей. рI= 4.6-4.7. Существуют альбумины молока, яиц, сыворотки крови.

2. 2)                       Глобулины – не растворимы в воде, растворимы в солевых растворах. Имунноглобулины.

3. 3)                       Гистоны – растворимы в воде, в слабоконцентрированных кислотах. Обладают выраженными основными свойствами. Это ядерные белки, они связаны с ДНК и РНК.

4. Склеропротеины – белки опорных тканей (хрящей, костей), шерсти, волос. Не растворимы в воде, слабых кислотах и щелочах.

а) коллагены – фибрилярные белки соединительной ткани. При длительном кипячении они растворяются в воде и при застудневании образуется желатин.

б) эластины – белки связок и сухожилий. По свойствам похожи на коллагены, но подвергаются гидролизу под действием ферментов пищеварительного сока;

в) кератин – входит в состав волос, перьев, копыт;

г) фиброин – белок шелка, в совем составе содержит много серина;

д) проламины и глютенины – белки растительного происхождения.

 

Сложные белки (протеиды)

Помимо АК содержат простетическую группу и в зависимости от ее химической природы они классифицируются на:

1)   Нуклеопротеиды – простетическая група – нуклеиновые кислоты. Среди многочисленных классов нуклеопротеидов наиболее изученными являются рибосомы, состоящие из нескольких молекул РНК и рибосомных белков, и хроматин – основной нуклеопротеид эукариотических клеток, состоящий из ДНК и структурообразующих белков – гистонов (содержатся в клеточном ядре и митохондриях).

2)   Гемопротеиды - небелковый компонент этих протеидов – гем, построен из четырех пиррольных колец, с ними связан ион двухвалентного железа (через атомы азота). К таким белка относятся: гемоглобин, миоглобин, цитохромы. Этот класс белков еще называют хромопротеиды, поскольку гем является окрашенным соединением. Гемоглобин – транспорт кислорода. Миоглобин – запасание кислорода в мышцах. Цитохромы (ферменты) – катализ окислительно-восстановаительных реакций и электронный транспорт в дыхательной цепи.

Металлопротеиды – в состав простетической группы входят металлы.

Хлорофилл – содержит гем, но вместо железа – магний.

Цитохром а – содержит медь, сукцинатдегидрогеназа и др. ферменты содержат негеминовое железо (ферродоксин).

4)  Липопротеиды – содержат липиды, входят в состав клеточных мембран

5)  Фосфопротеиды – содержат остаток фосфорной кислоты

6)  Глюкопротеиды – содержат сахара

 

Заключение.

Наука о белках – протеомика, одно из динамичных направлений современной биохимии. Задачи решаемые протеомикой касаются не только изучения структуры и функции белков, но и направлены на получения ответа на вопрос: «Что такое жизнь».

 

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Кнорре Д. Г., Мызина С. Д. Биологическая химия. – М.: Высш. шк. 1998, 479 с.;

2. Молекулярная биология. Структура и функции белков /Под ред. А. С. Спирина // М.: Высш. шк., 1996, 335 с.;

3. Филиппович Ю. Б., Егорова Т. А., Севастьянова Г. А. Практикум по общей биохимии // М.: Просвящение, 1982, 311с.;

4. Becker J., Craig E. A. Heat-shock proteins as molecular chaperones // Eur. J. Biochem., 1994, V. 219, р. 11-23.

5. Ленинджер А. Биохимия. Молекулярные основы структуры и функций клетки // М.: Мир, 2005, 1656 с.;