Аминокислоты

10.3 α-АМІНОКИСЛОТИ ТА БІЛКИ 
 

     Білки, або протеїни (від грецьк. protos – перший) – найбільш складні природні органічні сполуки; полімери, побудовані з залишків a-амінокислот, що поєднані пептидними зв’язками (–CO–NH–). Білки є компонентами всіх клітинних та міжклітинних структур бактерій, грибів, рослин і тварин: в організмі тварин міститься до 40-50 % білків від сухої маси, в організмі рослин – 20-30 %.

     Більшість білків має такий склад: 50-55 % карбону, 6,6-7,3 % гідрогену, 21-23 % оксигену, 15-17 % нітрогену та 0,3-2,5 % сульфуру. Деякі білки містять приблизно 0,8 % фосфору та дуже невелику кількість феруму, купруму та мангану.

     Термін  «протеїни» введено у 1838 році голандським хіміком і лікарем Г.Мульдером. Російська та українська назви «белки» та «білки» зумовлені тим, що при нагріванні перших з досліджених білків відбувалося їх згортання з утворенням осаду білого кольору. 

Дослід 10.3.1 Зсідання білків при нагріванні 

      водний  розчин яєчного білка

      водний  розчин желатину 

     В одній пробірці над полум'ям пальника протягом 1 хвилини будемо кип'ятити 2 мл водного розчину яєчного білка, а в іншій – стільки ж водного розчину желатину.

     В результаті досліду в пробірці з  яєчним білком випадає білий пластівцевий осад (згадаємо про походження назви цього класу органічних сполук!), що вказує на термічну денатурацію білка, в пробірці з желатином змін не спостерігається.

     Причина відмінностей полягає в тому, що яєчний білок (альбумін) містить в своєї структурі водневі зв'язки і дисульфідні містки, що підтримують його четвертну, третинну і вторинну структуру. Ці зв'язки неміцні і можуть руйнуватися при дії ряду чинників, у тому числі за високої температури, що приводить до осадження білка. Желатин є гелеподібним поліпептидом, який одержують при кип'ятінні у воді фібрилярного білка колагену. Вторинна і, тим більше, третинна структура у нього слабо виражені, тому желатин в значно менш схильний до термічної денатурації (терміні «денатурація» та поняття про первинну, вторинну та інші структури білка будуть розкрити нижче).

     Біологічними функціями білків (або протеїнів) є:

1. Структурна – білки входять до складу клітинних мембран, а також є основою цитоскелету, міжклітинного матриксу та деяких спеціалізованих тканин.
2. Каталітична, або ферментативна – усі ферменти за своєю хімічною природою є білками або комплексами білків з низькомолекулярними небілковими сполуками, які прискорюють біохімічні процеси, що відбуваються в живих організмах.
3. Транспортна – білки зв’язують та здійснюють внутрішньоклітинний та міжклітинний транспорт молекул.
4. Захисна – виконують функції імунного захисту завдяки здатності зв’язувати бактерії, токсини та віруси, протидіють кровотечі та тромбоутворенню, а також є захисним механічним бар’єром.
5. Скорочувальна – білки приймають участь в скороченні і розслабленні м’язів,  роботі серця, легенів, шлунку та інших внутрішніх органів.
6. Рецепторна – мембранні рецептори клітин, що відповідають за функції вибіркового впізнавання та приєднання окремих речовин мають білкову природу.
7. Регуляторна – гормони, медіатори та модулятори ендокринної, імунної та нервової систем є білками.
8. Запасна та травна функції – білки є найважливішими компонентами їжі, а також є резервними, запасними речовинами.

      До  складу більшості білків входить  до 25 різних a-амінокислот – похідних карбонових кислот, у вуглеводному радикалі яких при a-атомі карбону (найближчого до карбоксильної –СООН групи) один або кілька атомів гідрогену заміщено на аміно групу –NH₂. При цьому 20 з них присутні в кожній білковій молекулі.

      Загальною формулою a-амінокислот є:

      Залежно від хімічної будови радикалу –R, a-амінокислоти поділяються на класи:

1. Ациклічні, або аліфатичні

• моноамінокарбонові: одна –СООН та одна –NH₂ група (гліцин, аланін, валін)
• моноамінодикарбонові: дві –СООН, одна –NH₂ група (аспарагінова кислота)
• діамінодикарбонові: дві –СООН та дві –NH₂ групи (цистин)
• діаміномонокарбонові: одна –СООН та дві –NH₂ групи (лізин, орнітин)

2. Циклічні

• карбоциклічні (фенілаланін, тірозин)
• гетероциклічні (пролін, тірозин)

      З їжею людина отримує 8 незамінних a-амінокислот: лейцин, ізолейцин, лізин, фенілаланін, валін, триптофан, треонін та метіонін. Незамінними вони є тому, що не можуть бути синтезовані організмом людини. Їх відсутність призводить до затримки росту, втраті ваги та врешті решт загибелі організму. На сьогодні в природі знайдено понад 300 різних амінокислот (зважте на те, що не всі вони є a-амінокислотами), біля 60 амінокислот та їх похідних міститься в організмі людини, але не всі вони входять до складу білків. 

Таблиця 10.3.1 a-Амінокислоти, які входять до складу білків 

      a-Амінокислоти отримують кислотним, лужним або ферментативним гідролізом білків, а також за допомогою мікробіологічного синтезу.

      Залежно від того, скільки міститься аміно- та карбоксильних груп, амінокислоти поділяються на нейтральні (кількість аміно- та карбоксильних груп є однаковою), основні (аміногруп більше) та кислотні (більше карбоксильних груп).

      Назви деяких a-амінокислот походять від способу їх добування, фізико-хімічних властивостей та відбивають історію їх дослідження. Так, гліцин (від грецьк. glicos – солодкий) – солодкий на смак, серин (від лат. serius – шовковистий) – входить до складу булка фіброїну шовку, тирозин (від грецьк. tyros – сир) було виділено з сиру, а аспарагінову кислоту – з ростків рослини холодок (Asparagus officinalis) родини Asparagaceae.

      Першу амінокислоту виділив у 1820 році французький хімік А. Браконно. Він піддав кислотному гідролізу речовини тваринного походження: шкіру, хрящі, сухожилля. «Зернисті кристали», що утворилися, були солодкими на смак. Речовину, яка створювала ці кристали, він назвав «клейовим цукром». Потім «клейовий цукор» отримав назви глікокол та гліцин.

      Те, що гліцин не є цукром, довів Мульдер у 1938 році відкривши наявність в його складі нітрогену. Мульдер виділив гліцин з желатину за допомогою лужного гідролізу та вперше визначив його склад, який пізніше був уточнений Е.Хорсфордом до молекулярної формули C₂H₅O₂N.

      Дослідженням  аспарагінової кислоти та її аміну аспарагіну займався італійський хімік Піріа, який в 1848 році встановив, що аспарагін перетворюється в аспарагінову кислоту при кип’ятінні з нітратною або хлоридною кислотами, а сама кислота стійка до дії цих кислот. Пізніше було встановлено, що аспарагін та аспарагінова кислота присутні в клітинах і в свободному вигляді, і у зв’язаному в складі білків, а також що при утворенні аспарагіну з аспарагінової кислоти в організмі зв’язується токсичний амоніак.

      Деякі амінокислоти, наприклад цистеїн, містять сульфур. Цистеїн було відкрито в 1810 році У.Уоліастоном, який досліджував сечові камені, але сульфуру в складі цистеїну він не виявив. Сульфур було відкрито в 1837 році Пелізом, він же встановив точний склад речовини, що пізніше було підтверджено Лібіхом. Назву «цистеїн» цій амінокислоті дав Берцеліус.

      Німецьким хіміком Г.Ріттхаузеном було відкрито глутамінову кислоту в складі білків пшениці, а її склад було встановлено Вертером. Назва «глутамінова кислота» теж була запропонована Вертером від латинської gluten – клейковина. Здатність глутамінової кислоти зв’язувати амоніак з утворенням її аміду – глутаміну використовують при лікуванні низки захворювань нервової системи. У 1909 році японський вчений К.Ікеда під час дослідження деяких морських водоростей відкрив посилюючу дію глутамінової кислоти на відчуття смаку їжі. Пізніше він виявив, що її натрієвої солі виявляє навіть більшу дію. Ікедою було взято патент на виробництво цих речовин, які набули в Японії назви «аззі-но-мото» – «сутність смаку» або «душа смаку». Зараз вони широко застосовуються в харчовій промисловості.

     Певну послідовність a-амінокислот у поліпептидному ланцюгу називають первинною структурою білку. Кожний білок має свою первинну структуру, яка подібно до кожного терміну, поняттю, або просто слову, застосованих в цій книзі, складається з послідовності a-амінокислот – амінокислотних «літер». Частина молекули білка первинної структури наведена нижче:

      В клітині поліпептидні ланцюги самі утворюють впорядковані вторинні структури – просторове розміщення атомів основного поліпептидного ланцюгу. Найбільш поширена з них – так звана a-спіраль, що нагадує гвинтові сходи. На один виток спіралі припадає 3,6 амінокислоти. Крім цього розрізнюють третинну та четвертинну структури білка.

      Поліпептидні  ланцюги можуть бути укладені в глобули, котрі утворюють третинну структуру. В утворенні та стабілізації третинної структури беруть участь водневі, іонні та гідрофобні зв’язки і взаємодії. Більшість біологічно активних білків (ферменти, спеціалізовані білки клітинних мембран, сферичні субодиниці мікротрубочок тощо) є глобулярними.

      Четвертинна структура білків утворюється при об’єднанні (агрегації) декількох поліпептидних ланцюгів (субодиниць), кожен з яких має характерну впорядковану конформацію.

      Розрив  зв’язків, за допомогою яких утворені третинна та четвертинна структури  призводить до денатурації білків. Прикладом денатурації, який ми розглянули в досліді 10.3.1 є згортання білків при варкі яєць. Це може відбуватися  під дією фізичних (температура, опромінення) та хімічних (мінеральні та органічні кислоти, луги, розчинники, важкі метали) чинників і супроводжуватися зміною фізико-хімічних (розривом водневих, дисульфідних, електростатичних зв’язків, зменшенням розчинності тощо) та біологічних властивостей: так, денатурований гемоглобін не переносить кисень, а денатуровані ферменти та антитіла є біологічно неактивними.