Материал: Біологічна та біоорганічна хімія_Мардашко О.О._ изд. 2008-342 с._ОНМедУ-2012

нокислота) та аміногрупи другої амінокислоти (друга амінокислота) з утворенням пептидного зв’язку:

O H

C N

Наприклад, при взаємодії гліцину та α -ала- ніну утворюється дипептид гліцил-аланін, який має пептидний зв’язок:

O O

H2N CH C OH + H2N CH C OH

Гліцин (перша α -Аланін (друга амінокислота) амінокислота)

O H O

H2N CH C N CH C OH H CH3

Гліцил-аланін (дипептид)

Пептид складається з двох або більше амінокислотних залишків, з’єднаних пептидними зв’язками.

Пептиди, що мають більше 10 амінокислотних залишків, називають поліпептидами.

Структуру пептиду прийнято позначати так, щоб N-кінцевий залишок (який містить вільну аміногрупу) розміщувався ліворуч, а С-кінцевий залишок (з вільною карбоксильною групою) — праворуч.

Лінійна послідовність амінокислотних залишків у поліпептидному ланцюзі називається

первинною структурою пептиду. При найме-

нуванні пептиду його розглядають як похідне С-кінцевого амінокислотного залишку. Якщо первинна структура пептиду відома, то трилітерні позначення амінокислотних залишків з’єднують рисками:

Glu—Ala—Lys—Gly—Tyr—Ala

Більшість природних поліпептидних ланцюгів містить від 50 до 2000 амінокислотних залишків. Молекулярна вага більшості поліпептидних ланцюгів — від 500 до 220 000. Вагу білків позначають у дальтонах (Да). Білки з молекулярною вагою 50 000 мають вагу 50 000 дальтон, або

50кДа (кілодальтон).

Умовною різницею між поліпептидами та

білками вважається молекулярна вага й здатність до діалізу. Поліпептиди мають молекулярну вагу до 5000 Да і здатні до діалізу, а білки — більше 5000 Да і не здатні до діалізу.

Рівні структури молекул білка

Розрізняють чотири рівні структури (структурної організації) білкової молекули.

І. Первинна структура молекули білка — це послідовне розміщення амінокислотних залишків у поліпептидному ланцюзі. Зв’язок, стабілізуючий первинну структуру, — це пептидний зв’я- зок.

Жорсткість пептидного зв’язку

У структурних формулах пептидів зв’язок між атомами Карбону карбоксильної групи й атомами Нітрогену показується як одинарний, але він має характер часткового подвійного зв’язку. Вільне обертання навколо нього неможливе, і всі чотири атоми лежать в одній площині.

Обертання ж навколо інших зв’язків, навпаки, досить вільне (рентгеноструктурні дослідження пептидів свідчать про жорсткість і плоску конфігурацію пептидних груп).

ІІ. Вторинна структура білка — просторове розміщення, тобто конформація сусідніх амінокислотних залишків поліпептидного ланцюга у просторі.

До вторинної структури належать α -спіраль

іβ -структура («складчастий лист»), β -згин (β -bend), нерегулярна структура (неупорядкований клубок), надвторинна структура.

α-Спіраль — найпростіша форма поліпептидного ланцюга, що містить жорсткі поліпептидні зв’язки (при тому, що навколо решти зв’язків свобода обертання зберігається).

У цій структурі поліпептидний остов утворює

витки навколо довгої осі молекули. Закручування поліпептидного ланцюга в α -

спіралі відбувається за годинниковою стрілкою, що зумовлено α -амінокислотними залишками. На кожний виток спіралі припадає 3,6 амінокислотного залишку, крок спіралі (відстань на протязі осі) = 0,54 нм, на один амінокислотний залишок — 0,15 нм. Кут підйому спіралі = 26°; через кожні 5 витків спіралі (18 амінокислотних за-

лишки) структурна конформація поліпептидного ланцюга повторюється. Стабільність α -спіралі забезпечується переважно великою кількістю водневих зв’язків.

1.α -Спіраль стабілізується водневими зв’язками між атомами Гідрогену, зв’язками з атомами Нітрогену пептидної групи та карбонільним Оксигеном, що відстає від даного на протязі ланцюга на чотири позиції.

2.В утворенні водневого зв’язку беруть

участь усі пептидні групи. Це забезпечує максимальну стабільність α -спіралі.

3.В утворення водневих зв’язків залучені всі

атоми Нітрогену й Оксигену пептидних груп, що значною мірою знижує гідрофільність α -спі- ралі та збільшує її гідрофобність.

4.α -Спіраль утворюється самостійно та є найстійкішою конформацією поліпептидного ланцюга, що відповідає мінімуму вільної енергії.

5.У білках, побудованих з L-амінокислот, права спіраль набагато стабільніша за ліву.

Деякі амінокислоти запобігають скручуванню ланцюга в α -спіраль, в місці їх розміщення безперервність α -спіралі порушується. До таких амінокислот належать пролін (у ньому атом Нітрогену служить частиною жорсткого кільця,

іобертання навколо пептидного зв’язку стає не-

Стабільність тривимірної структури забезпечують усі можливі типи зв’язків (дисульфідні, водневі, гідрофобні, іонні). Рушійною силою виникнення тривимірної структури є взаємодія радикалів амінокислот із молекулами води. Гідрофобні радикали амінокислот ніби вдаються всередину білкової молекули. Гідрофільні групи виявляються орієнтованими у бік води. В якийсь момент виникає термодинамічно найвигідніша конформація в ланцюзі, яка стабілізується. У такій формі молекула білка має мінімальну вільну енергію. Отже, в утворенні певної тривимірної структури важливу роль відіграють гідрофобні зв’язки і жорсткість пептидного зв’язку.

Гідрофобний зв’язок

Молекула білка містить гідрофільні групи:

C O, NH, SH , COOH , NH2, OH ,

а також гідрофобні: метильні (–СН3), етильні (–СН2СН3), фенільні (–С5Н6) та ін. У воді гідрофобні групи переміщуються до внутрішньої частини молекули білка, спричинюючи цим згортання поліпептидного ланцюга.

Отже, гідрофобний зв’язок утворюється в результаті зближення гідрофобних радикалів амінокислот (рис. 2.6).

H O

N CH C

CH CH3 Ізолейцин

CH2

CH3

H3C CH3

CH

CH2 Лейцин

C CH N

O H

Рис. 2.6. Гідрофобна взаємодія між амінокислотами з неполярними радикалами

Цей вид зв’язку має важливе значення у формуванні певної третинної структури білкової молекули.

Іонний зв’язок (сольовий, електровалентний)

Молекули білка мають залишки моноамінодикарбонових кислот (аспарагінова та глутамінова), у яких є вільні карбоксильні групи у вигляді аніона –СОО–, та діаміномонокарбонових кислот (аргінін і лізин) із вільними аміногрупами у вигляді катіона –NН3+ (рис. 2.7).

Аніони та катіони, як протилежно заряджені, притягаються, утворюючи іонні зв’язки. Вони можуть з’єднувати витки одного або різних ланцюгів, тобто утворювати внутрішньоланцюгові та міжланцюгові зв’язки.

Водневі зв’язки

Виникають у результаті електростатичного притягання між позитивно зарядженим атомом

Серин Лізин

Рис. 2.7. Взаємодія амінокислот за допомогою водневих та іонних зв’язків

Гідрогену, ковалентно зв’язаним з атомом Нітрогену або Оксигену, та негативно зарядженим атомом Оксигену. Позитивно заряджений атом Гідрогену входить в аміногрупу пептидного зв’язку білкової молекули ( N–Н), аміногрупу (–NН2) діамінокарбонових амінокислот і гідроксильну групу (–ОН) залишків амінокислот серину, треоніну та ін. Негативно заряджений атом Оксигену входить до складу карбонільної групи пептидного зв’язку ( С=О), гідроксильної групи карбоксилу (–СООН) (див. рис. 2.7).

Дисульфідний зв’язок (цистиновий)

Він утворюється в результаті відщеплення двох атомів Гідрогену від сульфгідрильних груп двох залишків амінокислоти цистеїну (рис. 2.8):

Цистеїн

Цистеїн Цистин

Рис. 2.8. Дисульфідний зв’язок

Дисульфідні зв’язки можуть бути як внутріш- ньо-, так і міжланцюговими.

Внутрішньоланцюгові зв’язки утворюються в межах одного поліпептидного ланцюга, що спричинює утворення та закріплення певних згинів і спіралей у поліпептидному ланцюгу.

Міжланцюгові дисульфідні зв’язки утворюються між залишками цистеїну двох поліпептидних ланцюгів, тобто з’єднуються між собою різні поліпептидні ланцюги.

Третинну структуру називають ще конформацією, оскільки будь-який вплив (фізичний, хімічний), що призводить до порушення цієї конформації молекули, супроводжується частковою або повною втратою білком його біологічних властивостей.

Різновидами третинної структури білкових молекул є глобулярна та фібрилярна структури. У глобулярній структурі переважають α -спіралі, а в фібрилярній — β -структури.

IV. Четвертинна структура

Четвертинна структура білкової молекули — це спосіб укладання та об’єднання кількох білкових частинок із третинною структурою (субодиниць) у макромолекулу білка.

Субодиниці в четвертинній структурі зв’язані між собою переважно водневими зв’язками. При додаванні до розчину гемоглобіну сечовини або солей його молекула в результаті розриву водневих зв’язків зворотно дисоціює (розпадається) на два α - та два β -ланцюги. Після видалення солей або сечовини автоматично відбувається асоціація (з’єднання) чотирьох субодиниць у початкову молекулу гемоглобіну.

Фермент фосфорилаза складається з двох ідентичних субодиниць, кожна з яких має по два поліпептидних ланцюги, тобто молекула фосфорилази є тетрамером. Окремі субодиниці цього ферменту не мають ферментативної активності.

Наявність усіх чотирьох рівнів структурної організації необов’язкова для кожного білка. Обов’язковою структурою для всіх білків є первинна структура. Багато біологічно активних білків (наприклад ферменти) мають третинну структуру, оскільки саме на цьому рівні структурної організації формуються активні центри, що характеризуються специфічністю дії ферментів.

Фізико-хімічні властивості білків

1. Молекулярна маса білків. Молекули білків мають певну форму, розміри й молекулярну масу. Відомі дві основні форми білкових молекул:

—глобулярні білки (куляста форма);

—фібрилярні білки (сильно видовжена фор-

ма).

Форма білкової молекули змінюється під впливом таких факторів: рН, природа розчинника, концентрація розчину, температура.

Розміри білкових молекул визначаються в трьох вимірах.

Молекулярна маса білків вимірюється в дальтонах (Да).

1 Да відповідає уніфікованій одиниці відносної атомної маси (1 Да = 1 а. о. м. = 1,66·10–27 кг).

Молекулярну масу білків визначають різними методами:

—осмометричним;

—електрофоретичним;

—ультрафільтраційним;

—віскозиметричним та ін.

Використання ультрацентрифуг дає змогу розділяти частинки з різною молекулярною масою за допомогою осадження (седиментації) білків.

Швидкість осадження молекул залежить від розмірів, форми та маси частинок і характеризується коефіцієнтом седиментації (S), який збільшується зі зростанням молекулярної маси.

Седиментаційний аналіз використовують для визначення молекулярної маси білків за рівнянням Сведберга:

SRT , М =—————

D(1 – vρ)

де М — молекулярна маса білка; R — газова стала;

Т — абсолютна температура, К; S — коефіцієнт седиментації;

ρ— густина розчинника;

v — парціальний питомий об’єм білка; D — коефіцієнт дифузії.

Визначати молекулярну масу білків за осмотичним тиском можна для гомогенних білків у стані ізоелектричної точки (оскільки концентрація електролітів у розчині впливає на осмотичний тиск), тому що молекулярна маса білка тим вище, чим нижче осмотичний тиск його розчину:

gRT , PV = ———

M

де Р — осмотичний тиск; V — об’єм розчину білка; g — маса білка.

Метод гель-фільтрації дозволяє оцінити гомогенність білка за розмірами, а також розділити білки з різними молекулярнами масами.

При гель-електрофорезі розчину білків у присутності детергента (додецилсульфату натрію) швидкість міграції білків Rf пропорційна логарифму молекулярної маси білка.

Електрофорез — це рух заряджених частинок дисперсної фази у полі постійного електричного струму до одного з електродів. Електрофоретична рухливість частинок залежить від заряду молекул, в’язкості середовища, розмірів молекул, їх молекулярної маси. Тому методи електрофорезу застосовують для визначення молекулярної маси білків.

2. Кислотно-основні властивості білків

Розміщені на кінцях поліпептидного ланцюга вільна аміногрупа та карбоксильна група незначно впливають на ці властивості. Завдяки наявності вільних NН2-груп залишків діамінокарбонових кислот і вільних СООН-груп залишків моноамінодикарбонових кислот білки, як і амінокислоти, виявляють усі властивості кислот та основ, тобто мають амфотерні властивості. Заряд білкової молекули виникає при іонізації функціональних груп залишків амінокислот.

Залежно від рН середовища та відношення кислих і основних амінокислот у структурі білка, білки в розчині мають позитивний або негативний заряд. У тих випадках, коли (+) та (–) електричні заряди білкової молекули врівноважуються і заряд її дорівнює нулю (як у цвітер-іоні), білок знаходиться в ізоелектричному стані. Те значення рН розчину, при якому білок знаходиться в ізоелектричному стані, називається ізоелектрич-