БІЛКИ, БУДОВА, ВЛАСТИВОСТІ ТА ФУНКЦІЇ

Теоретичний матеріал

Білки – високомолекулярні нітрогеновмісні органічні сполуки, побудовані з великої кількості залишків a, L-амінокислот, з’єднаних між собою пептидними (кислотно-амідними) зв’язками у поліпептидний ланцюг (ланцюги), що мають складну структурну (просторову) організацію та виконують важливі життєві функції.

Їм належить першочергова роль в структурній організації і функціонуванні живих організмів, тому з ними пов’язано безліч ефектів лікарської терапії.

В медицині широко використовуються фармпрепарати білкової та пептидної природи (ферменти, гормони, вакцини, сироватки, білкові препарати крові, тканин та інші); гідролізати тканинних білків; суміші індивідуальних амінокислот для парентерального живлення (амікін, амінокровін, гідролізат казеїну, поліамін, фібриносол, церебролізин та інші); амінокислоти (цистеїн, гістидин, глутамінова кислота, метіонін та інші); похідні амінокислот (ацетилцистеїн, цистамін та інші); продукти обміну амінокислот: g-аміномасляна кислота (аміналон, гамалон), серотонін, адреналін, норадреналін, дофамін тощо.

У складі природних білків зустрічається близько 20 різних a,L-амінокислот (АК). Усі амінокислоти, що входять до складу білка (протеїногенні амінокислоти), є амінопохідними карбонових кислот, у яких один атом гідрогену в радикалі при a-вуглецевому атомі заміщено на аміногрупу. Наприклад:

Винятком є амінокислота пролін, у якої іміногрупа є частиною піролідинового кільця. Отже, загальна формула протеїногенних aамінокислот має такий вигляд:

Залежно від природи радикалу розрізняють амінокислоти аліфатичного (жирного) і циклічного рядів, причому останні можуть бути як ароматичними, так і гетероциклічними сполуками.

Різноманітність біохімічних функцій білків пов’язана з особливостями їх хімічної будови, яка визначається якістю, кількістю амінокислотних залишків і порядком їх чергування в поліпептидному ланцюгу.

Основу структури білка складає поліпептидний ланцюг. Окремий білок може складатися з одного чи кількох поліпептидних ланцюгів. Білки мають складну просторову організацію. Розрізняють чотири рівня організації білкової молекули — це первинна, вторинна, третинна і четвертинна структури білка.

Первинна структура — це кількість, якість і порядок розміщення залишків амінокислот у поліпептидному ланцюгу. За допомогою рентгеноструктурного аналізу виявлено, що первинна структура є ледь вигнутою і має вигляд “сходів”, що зумовлюється різними міжатомними відстанями і розмірами кутів між атомами, причому радикали і атоми гідрогену сусідніх амінокислотних залишків знаходяться в транс-положенні відносно поліпептидного ланцюга, що надає йому стабільності. Хребет чи вісь “сходів” поліпептидного ланцюга складається із однакових чергувань атомів, що повторюються: атом нітрогену – два атоми карбону, де найближчий до нітрогену атом карбону зв’язаний з радикалом якої-небудь амінокислоти, а більш віддалений – з оксогрупою. Знаючи будову амінокислоти, можна легко записати структуру поліпептидного ланцюга, змінюючи тільки радикали амінокислот. Запис починають з формули амінокислоти, що має вільну aNH₂ групу і закінчують амінокислотою, що містить вільну карбоксильну групу у атома a-карбону.

Вторинна структура – це форма і ступінь спіралізації, утворення шарувато-складчастих структур поліпептидного ланцюгу в просторі. В утворенні спіральних ділянок білка найважливіша роль належить водневим зв’язкам.

Існують і a і gспіралі, що відрізняються одна від одної кількістю амінокислотних залишків в одному витку, а також bскладчаста структура. aспіраль має у витку 3,6 залишки амінокислот, gспіраль – 5 і більше, bскладчасті структури утворюються накладанням ділянок всередині одного поліпептидного ланцюга (крос-b-структура) або між поліпептидними ланцюгами, з утворенням шарів паралельної чи антипаралельної природи. Ступінь спіралізації різних білків варіює, частіше — від 20 до 40%.

Третинна структура – це тривимірна конформація поліпептидного ланцюга, тобто просторове розташування білка, яка утворена вигинами і накладеннями поліпептидного ланцюга в просторі.

Суттєвою для формування третинної конформації є наявність в молекулі білка гідрофобних ділянок, утворених неполярними R-групами, а також іоногенних R-груп, особливо глутамінової та аспарагінової кислот, лізину і аргініну. Важливого впливу на процес формування нативної третинної конформації білка надають і інші зв’язки: ефірні, дисульфідні, водневі, а також стан зовнішнього середовища.

Основними хімічними зв’язками, що виникають при формуванні третинної структури, є:

1. Слабкі вандерваальсові зв’язки, що сприяють формуванню гідрофобного ядра з неполярних радикалів всередині бокової глобули (-СН₃, –С₂Н₅, фенольний, індольний, імідазольний).

2. Іонний або сольовий (електровалентний) зв’язок. Аніонні групи (СОО^¯) пептидного ланцюга із залишків аспарагінової або глутамінової кислот і катіонні (NH₃⁺) залишки лізину або аргініну, як протилежно заряджені, можуть при зближенні притягуватись і утворювати сольові зв’язки (містки). Такі містки можуть з’єднувати витки одного або різних ланцюгів.

3. Ефірний зв’язок виникає між аніонними групами моноамінодикарбонових кислот і гідроксигрупами оксиамінокислот.

4. Дисульфідний зв’язок – між SН-групами двох радикалів цистеїну.

5. Водневий зв’язок.

Типи зв'язків між радикалами амінокислотних залишків
у білковій молекулі
а – електростатична взаємодія; б – водневі зв'язки; в – взаємодія
неполярних бічних ланцюгів, викликана виштовхуванням ліпофільних
радикалів у «суху зону» молекулами розчинника (так звана жирна крапля);
г – дисульфідні зв'язки; д – дипольдипольні взаємодії. Подвійна вигнута лінія позначає хребет поліпептидного ланцюга

Отже, утворення специфічної нативної глобулярної або фібрилярної структури білка — це кооперативний процес, що ґрунтується на різних типах ковалентних і нековалентних взаємодій. Виникнення цих взаємодій залежить від первинної структури білка.

Четвертинна структура білка виникає в результаті об’єднання кількох білкових частинок (субодиниць), які мають третинну структуру, у макромолекулу, єдину як у структурному, так у функціональному відношенні (олігомірні білки).

Розмір і форма білкових молекул, їх амфотерність, наявність електричного заряду, розчинність та інші фізико-хімічні властивості великою мірою визначають біологічні функції білків і їх участь в процесах обміну речовин.

Завдяки наявності в білках як амінних, так і карбоксильних груп, ці сполуки у кислому середовищі дисоціюють як основи, а в лужному – як кислоти, тобто є амфотерними електролітами. Це обумовлює їх значення як буферних систем, що підтримують сталість кислотності середовища в тканинах організму.

Денатурація білків. Під впливом фізичних (температура, ультразвук, іонізуюча радіація і т.ін.), хімічних (мінеральні й органічні кислоти, луги, органічні розчинники, важкі метали, алкалоїди, детергенти, деякі аміди, наприклад, сечовина та ін.) факторів відбуваються глибокі зміни в молекулі білка, пов'язані з порушенням четвертинної, третинної і вторинної структур, що спричиняє у свою чергу зміну фізико-хімічних і біологічних властивостей білка, тобто денатурацію. При денатурації білка має місце розрив цементуючих білкову молекулу вторинних зв'язків (водневих, дисульфідних, електростатичних, ван-дер-ваальсових та ін.). Це призводить до зміни просторової структури; глобула білка розкручується, на її поверхні збільшується кількість гідрофобних груп, тобто зменшуються гідрофільні властивості білка. Він стає більш гідрофобним, втрачаєздатність розчинятися у звичайних для нього розчинниках і позбувається своїх біологічних функцій (ферментів, гормонів тощо). Після денатурації змінюється більшість фізико-хімічних властивостей білка: зменшується розчинність, збільшується кількість SН та інших груп, посилюється в'язкість, з'являється більше хіральних атомів вуглецю, змінюються оптичні властивості і константа седиментації. У зв'язку з цим протеоліз таких білків відбувається з більшою швидкістю, аніж нативних білків.

При денатурації в більшості випадків первинна структура не порушується, тому після розкручування поліпептидного ланцюга (стадія нитки) він може знову стихійно скручуватися, утворюючи «випадковий клубок», тобто переходить до хаотичного стану. При цьому спостерігається агрегація білкових частинок і випадання їх в осад.

Повна денатурація білка в більшості випадків необоротна, на відміну від оборотної, за якої зміни в молекулі білка незначні, і білок за певних умов знову набуває своїх нативних властивостей (процес ренатурації). Наприклад, таке відбувається під час осадження білків органічними розчинниками – спиртом або ацетоном, якщо проводити його за низької температури, а потім швидко видалити осаджувач.