Хімія. 
Білки

БІЛКИ І ПОЛИПЕПТИДЫ.

Бєлки грають винятково важливу роль живої природи. Життя немислима без різних за будовою і функцій білків. Бєлки — це біополімери складного будівлі, макромолекули (протеїни) яких, складаються із залишків амінокислот, з'єднаних між собою амидной (пептидной) зв’язком. Крім довгих полімерних ланцюгів, побудованих із залишків амінокислот (полипептидных ланцюгів), в макромолекулу білка можуть входити також залишки чи молекули інших органічних сполук. В одному кільці кожної пептидной ланцюга є вільна чи ацилированная аминогруппа, іншою — вільна чи амидированная карбоксильная группа.

Кінець ланцюга з аминогруппой називається М-концом, кінець ланцюга з карбоксильной групою — С-концом пептидной ланцюга. Між СО-группой однієї пептидной угруповання і NH-группой інший пептидной угруповання можуть легко утворюватися водневі связи.

Групи, що входять до склад радикала R амінокислот, можуть у взаємодію одне з одним, з сторонніми речовинами і з іншими білковими й іншими молекулами, створюючи складні й різноманітні структуры.

У макромолекулу білка входить одна чи кілька пептидних ланцюгів, пов’язаних друг з одним поперечними хімічними зв’язками, найчастіше через сірку (дисульфидные містки, утворювані залишками цистеина). Хімічну структуру пептидних ланцюгів прийнято називати первинної структурою білка чи секвенцией.

Для побудови просторової структури білка пептидные ланцюга повинні прийняти певну, властиву даному білку конфігурацію, яка закріплюється водневими зв’язками, виникаючими між пептидными угрупованнями окремих ділянок молекулярної ланцюга. Принаймні освіти водневих зв’язків пептидные ланцюга закручуються у спіралі, прагнучи освіті максимальної кількості водневих зв’язків і до енергетично найвигіднішою конфигурации.

Вперше така структура з урахуванням рентгеноструктурного аналізу була виявлено щодо головного білка волосся і шерсти—кератина Полингом американським фізиком і хіміком… Її назвали а-структурой чи а-спиралью. На один виток спіралі доводиться по 3,6—3,7 залишків амінокислот. Відстань між витками близько 0,54 мільярдної частці метри. Будова спіралі стабілізується внутримолекулярными водневими связями.

При розтягненні спіраль макромолекули білка перетворюється на іншу структуру, нагадує линейную.

Але освіті правильної спіралі часто заважають сили відштовхування чи тяжіння, виникаючі між групами амінокислот, чи стерические перешкоди, наприклад, з допомогою освіти пирролидиновых кілець пролина і оксипролина, що змушують пептидную ланцюг різко згинатися і перешкоджають освіті спіралі що на деяких її ділянках. Далі окремі ділянки макромолекули білка орієнтуються у просторі, приймаючи в окремих випадках досить витягнуту форму, інколи ж сильноизогнутую, згорнуту просторову структуру.

Просторова структура закріплена внаслідок взаємодії радикалів R і амінокислот із заснуванням дисульфидных місточків, водневих зв’язків, іонних пар чи інших хімічних або фізичних зв’язків. Саме просторова структура білка визначає хімічні й біологічні властивості белков.

Залежно від просторової структури всі білки діляться на два великих класу: фибриллярные (їх використовують природою як структурний матеріал) і глобулярные (ферменти, антитіла, деякі гормони і др.).

Полипептидные ланцюга фибриллярных білків мають форму спіралі, яка закріплена розташованими уздовж ланцюга внутримолекулярными водневими зв’язками. У волокнах фибриллярных білків закручені пептидные ланцюга розташовані паралельно осі волокна, вони стоять ніби орієнтовані щодо одне одного, розташовуються поруч, створюючи ниткоподібні структури та мають високий рівень асиметрії. Фибриллярные білки погано розчиняються або зовсім нерозчинні у питній воді. При розчиненні у питній воді вони утворюють розчини високої в’язкості. До фибриллярным білкам ставляться білки, що входять до склад тканин та покривних утворень. Це миозин—белок м’язових тканин; колаген, що є основою седиментационных тканин та шкірних покровів; кератин, входить до складу волосся, рогових покровів, вовни і пір'їн. А до того класу білків належить білок натурального шовку — фиброин, в’язка сиропообразная рідина, затвердевающая надворі в міцну нерастворимую нитку. Цей білок має витягнуті полипептидные ланцюга, з'єднані друг з іншому межмолекулярными водневими зв’язками, що визначає, очевидно, високу механічну міцність натурального шелка.

Пептидные ланцюга глобулярных білків сильно вигнуті, згорнуті і найчастіше мають форму жорстких шариков—глобул. Молекули глобулярных білків мають низьким рівнем асиметрії, вони добре розчиняються у воді, причому в’язкість їх розчинів невелика. Це насамперед білки крови—гемоглобин, альбумін, глобулін і др.

Слід зазначити умовність розподілу білків на фибриллярные і глобулярные, оскільки є велика число білків з проміжної структурой.

Властивості білка можуть сильно змінюватися при заміні однієї амінокислоти інший. Це зміною конфігурацій пептидних ланцюгів і умов освіти просторової структури білка, що у кінцевому підсумку визначає її функції в организме.

СОСТАВ І ВЛАСТИВОСТІ БЕЛКОВ.

Кількість амінокислотних залишків, які входять у молекули окремих білків, дуже різна: в інсуліні 51, в миоглобине — близько 140. Тому й нині відносна молекулярна маса білків коливається на вельми межах — від 10 тисяч до багатьох За підсумками визначення відносної молекулярної є і елементарного аналізу встановлено емпірична формула білкової молекули — гемоглобіну крові (C738H1166O208S2Fe)4 Менша молекулярна маса може бути найпростіших ферментів та деякі гормонів білкової природи. Наприклад, молекулярна маса гормону інсуліну близько 6500, а білка вірусу грипу — 320 000 000. Речовини білкової природи (котрі перебувають із залишків амінокислот, з'єднаних між собою пептидной зв’язком), мають щодо меншу молекулярну масу чуток і меншу ступінь просторової організації макромолекули, називаються полипептидами. Провести різку межу між білками, і полипептидами важко. Найчастіше білки від інших природних полімерів (каучуку, крохмалю, целюлози), тим, що чистий індивідуальний білок містить лише молекули однакового будівлі та маси. Винятком є, наприклад, желатину, у складі якої входять макромолекули з молекулярної масою 12 000— 70 000.

Будовою білків пояснюються дуже різноманітні властивості. Вони мають різну розчинність: деякі розчиняються у питній воді, інші — в розбавлених розчинах нейтральних солей, і деякі не мають властивістю розчинності (наприклад, білки покривних тканин). При розчиненні білків у питній воді утворюється своєрідна молекулярно-дисперсная система (розчин высокомолекулярного речовини). Деякі білки можна виділити як кристалів (білок курячого яйця, гемоглобіну крови).

Бєлки грають найважливішу роль життєдіяльності всіх організмів. При травленні білкові молекули перетравлюються до амінокислот, які, будучи добре розчиняються у водної середовищі, пробираються у кров, і роблять у все тканини і клітини організму. Тут найбільше амінокислот витрачається синтез білків різних органів прокуратури та тканин, часть—на синтез гормонів, ферментів та інших біологічно важливих речовин, інші ж служать як енергетичний матеріал. Тобто. білки виконують каталітичні (ферменти), регуляторні (гормони), транспортні (гемоглобін, церулоплазмін та інших.), захисні (антитіла, тромбин та інших.) функции.

Бєлки — найважливіші компоненти їжі чоловіки й корми тварин. Сукупність безупинно що відбуваються химищеский перетворень білків займає чільне місце в обміні речовин організмів. Швидкість відновлення білків у живих організмів залежить від змісту білків в їжі, і навіть його біологічної цінності, що визначається наявністю і співвідношенням незамінних аминокислот.

Бєлки рослин біднішими білків тваринного походження за змістом незамінних амінокислот, особливо лізину, метіоніну, триптофану. Бєлки сої і картоплі по аминокислотному складу найбільш близькі білкам тварин. Відсутність в кормі незамінних амінокислот дійшов важким порушень азотистого обміну. Тому селекція зернових культур спрямована, в частковості, і для підвищення якості білкового складу зерна.

КЛАСИФІКАЦІЯ БЕЛКОВ.

Бєлки поділяються на великі групи: прості білки, чи протеїни, складні білки, чи протеиды.

При гідролізі протеїнів в кислому водному розчині можна лише аамінокислоти. Гідроліз протеидов дає крім амінокислот і ті речовини небелковой природи (вуглеводи, нуклеїнові кислоти та інших.); це сполуки білкових речовин з небелковыми.

Протеины.

Альбумины добре розчиняються у питній воді. Зустрічаються в молоці, яєчному білці і крови.

Глобулины у питній воді не розчиняються, але розчиняються у розбавлених розчинах солей. До глобулинам належать глобулины крові й м’язовий білок миозин.

Глутелины розчиняються лише у розбавлених розчинах лугів. Зустрічаються в растениях.

Склеропротеины — нерозчинні білки. До склеропротеинам ставляться кератины, білок шкіри з'єднувальних тканин колаген, білок натурального шовку фиброин.

Протеиды побудовано з протеїнів, поєднаних з молекулами іншого типу (простетическими группами).

Фосфопротеиды містять молекули фосфорної кислоти, пов’язані як складного ефіру у гидроксильной групи амінокислоти серина. До них належать вителлин—белок, який міститься у яєчному жовтку, білок молока казеин.

Гликопротеиды містять залишки вуглеводів. Вони входять до складу хрящів, рогів, слюны.

Хромопротеиды містять молекулу пофарбованого речовини, зазвичай типу порфина. Найважливішим хромопротеидом є гемоглобін — переносник кисню, окрашивающий червоні кров’яні тельца.

Нуклеопротеиды — протеїни, пов’язані з нуклеїновими кислотами. Вони є дуже важливі з погляду белки—составные частини клітинних ядер. Нуклеопротеиды є найважливішої складовою вірусів — збудників багатьох болезней.

Определение будівлі белков.

Визначення будівлі білків є дуже складним завданням, але за останні роки у хімії білка досягнуто неабиякі успіхи. Крім методів отримання високомолекулярних синтетичних полипептидов, побудованих з значної частини молекул однакових а-аминокислот, розроблено методи синтезу змішаних полипептидов із заздалегідь заданим порядком чергування різних аамінокислот шляхом поступового їх наращивания.

Повністю визначено хімічна структура кількох білків: гормону інсуліну, антибіотика грамицидин, ферменту, расщепляющего нуклеїнові кислоти, рибонуклеазы, гормону аденокортикотропина, білка вірусу тютюнової мозаїки, міоглобіну, гемоглобіну та інших. Частково визначено структура деяких інших белков.

Вивчення хімічної будови білка починають із визначення аминокислотного складу. І тому використовується переважно метод гідролізу, т. е. нагрівання білка з 6—10 моль/л соляної кислотою при температурі 100—110°С. Отримують суміш а-аминокислот, з яких можна виділити індивідуальні аминокислоты.

Наприклад, повний гідроліз одного трипептида призводить до утворення трьох аминокислот:

Для кількісного аналізу цю суміш нині застосовують ионообменную і паперову хроматографію. Сконструйовані спеціальні автоматичні аналізатори аминокислот.

Отже, гідроліз білків, сутнісно, зводиться до гидролизу полипептидных зв’язків. А до того зводиться та інформаційний процес переваривание.

Розроблено також ферментативные методи ступенчатого розщеплення білка. Деякі ферменти розщеплюють макромолекулу білка специфічно — лише у місцях перебування певної амінокислоти. Так отримують продукти ступенчатого розщеплення — пептоны і пептиди, наступним аналізом яких ставлять амінокислотний состав.

Значно складнішим є визначення послідовності амидокислот в пептидних ланцюгах білка. Для цього він передусім визначають Nі С-концы полипептидных ланцюгів, у своїй вирішуються два вопроса—идентифицируются кінцеві амінокислоти й число пептидних ланцюгів, входять до складу макромолекул білка. Для визначення Nкінців пептидной ланцюга отримують N-производное кінцевий амінокислоти пептида, яке ідентифікують після повного гідролізу пептида. С-концы пептидних ланцюгів визначаються виборчим отщеплением кінцевий амінокислоти з допомогою специфічного ферменту — карбоксипептидазы і наступного ідентифікацією цієї амінокислоти. Якщо макромолекула білка і двох (або як) пептидних ланцюгів, як у інсуліну, то вибірково руйнують дисульфидные містки окисленням (наприклад, над-муравьиной кислотою) і далі отримані поліпептиди поділяють шляхом фракционирования на ионитах. Для визначення послідовності розташування амінокислот в кожної полипептидной ланцюга її піддають часткового кислотному гидролизу і виборчому розщеплення з допомогою ферментів, кожен із яких розриває полипептидную ланцюг лише у певних місцях приєднання якийсь однієї певної амінокислоти чи одного типу амінокислот (основних, ароматичних). Отже отримують кілька наборів пептидів: які поділяють, використовуючи методи хроматографії і електрофорезу. Будова коротких пептидів визначають послідовним отщеплением та ідентифікація кінцевих амінокислот згаданими вище методами, а великі пептиди піддають додатковому розщеплення з наступним поділом і визначенням будівлі. Потім шляхом складного зіставлення структури різних ділянок пептидной ланцюга відтворюють повної картини розташування амінокислот в макромолекуле білка. Роботу цю дуже трудомістка, й у визначення хімічної структури білка потрібно кілька лет.

Для вивчення просторової структури білка, послідовності сполуки амінокислот у цьому чи іншому білці використовують різні физикохімічні методи, у тому числі найефективнішими виявилися метод ступенчатого розщеплення і рентгеноструктурный анализ.

Рентгеноструктурный аналіз — метод дослідження атомної структури в-ва з допомогою дифракції рентгенівських променів. Рентгенівські промені взаємодіють з електронними оболонками атомів. Внаслідок цього взаємодії відбувається дифракція рентгенівських променів і фотоплівці виходить дифракционная картина — плями чи окружності. З дифракционной картини при допомоги складних розрахунків встановлюють розподіл електронної щільності вва, а, по ній — рід атомів та його расположение.

Нині встановлено, більшість білків складаються з 22 якісно різних а-аминокислот.

При освіті молекули білка чи полипептида а-аминокислоты можуть з'єднуватися в різної послідовності. Можливо величезну кількість різних комбінацій. Як, користуючись 20…30 літерами алфавіту, можна написати текст будь-який довжини, що з 20 а-аминокислот можна утворити більше 1018 комбінацій. Існування різних типів полипептидов практично неограничено.

Определение наявності белка:

Для ідентифікації білків і полипептидов використовують специфічні реакцію білки. Например:

а) биуретовая реакция б) ксантопротеиновая реакція (поява жовтого фарбування при взаємодії з онцентрированной азотної кислотою, що у присутності аміаку стає помаранчевим; реакція пов’язані з нитрованием залишків фенілаланіну і тирозина);

в) реакція Миллона (освіту жовто-коричневого фарбування при взаємодії з Hg (NО3)2+HNО3+HNO2.

г) нингидриновая реакция д) при нагріванні білків зі лугом у присутності солей свинцю випадає чорний осад PbS, що свідчить про присутності серусодержащих аминокислот.

е) сильне нагрівання викликає як денатурацію білків, а й розкладання його з виділенням летючих продуктів, які мають запахом палених перьев.

Бєлки зазвичай утворюють колоїдні розчини. Багато реагенти викликають осадження білків — коагуляцию, яка то, можливо оборотного і незворотної. Наприклад, етанол і ацетон коагулюють білки, але це коагуляція є оборотного. У чистої води коагулированные у такий спосіб білки знову утворюють колоїдна розчин. Обратимую коагуляцию викликають також розчини деяких солей (MgSO4 (NH4)2SO4 Na2SO4). Необоротну коагуляцию (денатурацію) білка викликає кип’ятіння, і навіть дію мінеральних кислот, пікринової кислоти, солей важких металів, танина.

Синтез пептидов.

Синтез пептидів пов’язані з поруч істотних труднощів. Насамперед, необхідні оптичні активні ізомери а-аминокислот. З іншого боку, потрібні спеціальні прийоми реалізації послідовного освіти пептидних зв’язків у потрібній нам послідовності а-аминокислот: захист аминогрупп, активація карбоксильных груп, відщеплення захисних груп, безліч спеціальних реагентов.

Але грандіозна робота з аналізові досягнень і синтезу білків за останній період революционизировалась завдяки використанню високоефективних автоматичних приладів. До них відносять синтезатори — установки для синтезу, цілодобово працюючі без людини по заданої програмі. Це з проявів комп’ютеризації в хімії. Створення таких автоматів стало можливим після появи нових плідних хімічних ідей. Синтезатори з’явилися після пропозиції американським хіміком P. Meрифилдом нового принципу — синтезу на полімерному носії, обладающем певними функціональними группами.

Такий спосіб виключає необхідність виділення проміжних продуктів з кожної стадії синтезу і легко піддається автоматизации.

Шукаючи шляху исусственного отримання білка, вчені інтенсивно вивчають механізм його синтезу в організмах. Адже він тут відбувається в «м'яких» умовах, дивовижно чітко й із швидкістю. (Молекула білка у клітині утворюється за 2—3 з.) З’ясовано, що синтез білків в організмі здійснюється з участю інших високомолекулярних веществ—нуклеиновых кислот. Нині людина вже глибоко пізнав механізм біосинтезу білка і розпочав штучному отриманню найважливіших білків з урахуванням тієї ж принципів, які так цілком відпрацьовані в процесі розвитку органічного мира.

Крім цього, промислове отримання білків здійснюється з допомогою мікробіологічного синтезу. Виявилося, що, розмножуючись на відповідної живильному середовищі, деякі мікроорганізми можуть створювати багату білкову масу. На від ходах гидролизного виробництва спирту з деревини, наприклад, вирощують кормові дріжджі для тваринництва. Використання продуктів мікробіологічного синтезу у тваринництві дозволяє значно підвищувати його продуктивность.

Штучне отримання білка були актуальними питанням у минулому столітті, коли всі ясно, що білки побудовано з а-аминокислот з допомогою амидных (пептидних) зв’язків. Перші синтези низькомолекулярних пептидів пов’язані безпосередньо з ім'ям німецького хіміка Еге. Фішера. У 1903—1907 рр. Еге. Фішер синтезував полипептид, що з 19 залишків аминокислот.