Chemické vlastnosti reakčných rovníc proteínov. Najdôležitejšie chemické a fyzikálne vlastnosti bielkovín. Proteíny a ich hlavné vlastnosti

Veveričky— makromolekulárne Organické zlúčeniny, pozostávajúce z aminokyselinových zvyškov spojených do dlhého reťazca peptidovou väzbou.

Zloženie bielkovín živých organizmov zahŕňa iba 20 typov aminokyselín, z ktorých všetky sú alfa-aminokyseliny, a aminokyselinové zloženie bielkovín a poradie ich vzájomného spojenia sú určené individuálnym genetickým kódom živého organizmu. organizmu.

Jednou z vlastností proteínov je ich schopnosť spontánne vytvárať priestorové štruktúry charakteristické len pre tento konkrétny proteín.

Vzhľadom na špecifickosť ich štruktúry môžu mať proteíny rôzne vlastnosti. Napríklad proteíny s globulárnou kvartérnou štruktúrou, najmä proteín z kuracích vajec, sa rozpúšťajú vo vode za vzniku koloidných roztokov. Proteíny s fibrilárnou kvartérnou štruktúrou sa vo vode nerozpúšťajú. Fibrilárne proteíny tvoria najmä nechty, vlasy, chrupavky.

Chemické vlastnosti bielkovín

Hydrolýza

Všetky proteíny sú schopné hydrolýzy. V prípade úplnej hydrolýzy bielkovín vzniká zmes α-aminokyselín:

Proteín + nH 2 O => zmes α-aminokyselín

Denaturácia

Deštrukcia sekundárnych, terciárnych a kvartérnych štruktúr proteínu bez zničenia jeho primárnej štruktúry sa nazýva denaturácia. Denaturácia bielkovín môže prebiehať pôsobením roztokov sodných, draselných alebo amónnych solí - takáto denaturácia je reverzibilná:

Denaturácia, ku ktorej dochádza pod vplyvom žiarenia (napríklad zahrievaním) alebo spracovaním bielkovín soľami ťažkých kovov, je nevratná:

Takže napríklad pri tepelnej úprave vajec počas ich prípravy sa pozoruje nevratná denaturácia bielkovín. V dôsledku denaturácie vaječného bielka zaniká jeho schopnosť rozpúšťať sa vo vode za vzniku koloidného roztoku.

Kvalitatívne reakcie na bielkoviny

Biuretová reakcia

Ak sa do roztoku obsahujúceho proteín pridá 10% roztok hydroxidu sodného a potom malé množstvo 1% roztoku síranu meďnatého, objaví sa fialová farba.

proteínový roztok + NaOH (10% roztok) + СuSO 4 = fialová farba

xantoproteínová reakcia

bielkovinové roztoky pri varení s koncentrovaným kyselina dusičná zafarbené na žlto:

bielkovinový roztok + HNO 3 (konc.) => žltá farba

Biologické funkcie bielkovín

katalytický	urýchľujú rôzne chemické reakcie v živých organizmoch	enzýmy
štrukturálne	materiál na stavbu buniek	kolagén, proteíny bunkovej membrány
ochranný	chrániť telo pred infekciami	imunoglobulíny, interferón
regulačné	regulovať metabolické procesy	hormóny
dopravy	prenos životne dôležitých látok z jednej časti tela do druhej	hemoglobín prenáša kyslík
energie	dodať telu energiu	1 gram bielkovín dokáže telu dodať 17,6 J energie
motor (motor)	akúkoľvek motorickú funkciu tela	myozín (svalový proteín)

Obsah článku

PROTEÍNY (článok 1)- trieda biologických polymérov prítomných v každom živom organizme. Za účasti bielkovín prebiehajú hlavné procesy, ktoré zabezpečujú životne dôležitú činnosť tela: dýchanie, trávenie, svalová kontrakcia, prenos nervových impulzov. Kostné tkanivo, koža, vlasy, rohové útvary živých bytostí sú zložené z bielkovín. U väčšiny cicavcov dochádza k rastu a vývoju organizmu vďaka produktom obsahujúcim bielkoviny ako zložku potravy. Úloha bielkovín v tele a teda aj ich štruktúra je veľmi rôznorodá.

Zloženie bielkovín.

Všetky proteíny sú polyméry, ktorých reťazce sú zostavené z fragmentov aminokyselín. Aminokyseliny sú organické zlúčeniny obsahujúce vo svojom zložení (v súlade s názvom) aminoskupinu NH 2 a organickú kyselinu, t.j. karboxylová skupina, skupina COOH. Z celej škály existujúcich aminokyselín (teoreticky je počet možných aminokyselín neobmedzený) sa na tvorbe proteínov podieľajú len tie, ktoré majú medzi aminoskupinou a karboxylovou skupinou iba jeden atóm uhlíka. AT všeobecný pohľad aminokyseliny podieľajúce sa na tvorbe bielkovín možno znázorniť vzorcom: H 2 N–CH(R)–COOH. Skupina R pripojená k atómu uhlíka (tá medzi aminoskupinou a karboxylovou skupinou) určuje rozdiel medzi aminokyselinami, ktoré tvoria proteíny. Táto skupina môže pozostávať len z atómov uhlíka a vodíka, ale častejšie obsahuje okrem C a H rôzne funkčné (schopné ďalšej transformácie) skupiny, napr. HO-, H 2 N- atď. možnosť, keď R \u003d H.

Organizmy živých bytostí obsahujú viac ako 100 rôznych aminokyselín, avšak nie všetky sa používajú pri stavbe bielkovín, ale iba 20, takzvaných "základných". V tabuľke. 1 sú uvedené ich mená (väčšina mien sa vyvinula historicky), štruktúrny vzorec, ako aj bežne používanú skratku. Všetky štruktúrne vzorce sú v tabuľke usporiadané tak, že hlavný fragment aminokyseliny je vpravo.

Tabuľka 1. AMINOKYSELINY PODIEĽAJÚCE SA NA TVORBE PROTEÍNOV

názov	Štruktúra	Označenie
GLYCINE		GLI
ALANIN		ALA
VALIN		ŠACHTA
LEUCINE		LEI
IZOLEUCÍN		ILE
SERIN		SER
THREONINE		TRE
CYSTEINE		CIS
METIONINE		MET
LYSINE		LIZ
ARGINÍN		ARG
KYSELINA ASPARAGOVÁ		ACH
ASPARAGIN		ACH
KYSELINA GLUTÁMOVÁ		GLU
GLUTAMÍN		GLN
fenylalanín		fén
TYROZÍN		TIR
tryptofán		TRI
HISTIDINE		GIS
PROLINE		PRO
V medzinárodnej praxi je akceptované skrátené označenie uvedených aminokyselín pomocou latinských trojpísmenových alebo jednopísmenových skratiek, napríklad glycín - Gly alebo G, alanín - Ala alebo A.

Z týchto dvadsiatich aminokyselín (tabuľka 1) obsahuje iba prolín vedľa karboxylovej skupiny COOH skupinu NH (namiesto NH2), pretože je súčasťou cyklického fragmentu.

Osem aminokyselín (valín, leucín, izoleucín, treonín, metionín, lyzín, fenylalanín a tryptofán) umiestnených v tabuľke na sivom pozadí sa nazýva esenciálne, pretože telo ich musí neustále prijímať s bielkovinovou potravou pre normálny rast a vývoj.

V dôsledku postupného spájania aminokyselín vzniká molekula proteínu, zatiaľ čo karboxylová skupina jednej kyseliny interaguje s aminoskupinou susednej molekuly, čím vzniká peptidová väzba –CO–NH– a voda. molekula sa uvoľní. Na obr. 1 je znázornené sériové spojenie alanínu, valínu a glycínu.

Ryža. jeden SÉRIOVÉ ZAPOJENIE AMINOKYSELÍN pri tvorbe molekuly proteínu. Cesta od koncovej aminoskupiny H2N ku koncovej karboxylovej skupine COOH bola zvolená ako hlavný smer polymérneho reťazca.

Na kompaktný opis štruktúry molekuly proteínu sa používajú skratky pre aminokyseliny (Tabuľka 1, tretí stĺpec), ktoré sa podieľajú na tvorbe polymérneho reťazca. Fragment molekuly znázornený na obr. 1 je napísaný takto: H2N-ALA-VAL-GLY-COOH.

Proteínové molekuly obsahujú od 50 do 1500 aminokyselinových zvyškov (kratšie reťazce sa nazývajú polypeptidy). Individualita proteínu je určená súborom aminokyselín, ktoré tvoria polymérny reťazec, a nemenej dôležitým poradím ich striedania pozdĺž reťazca. Napríklad molekula inzulínu pozostáva z 51 aminokyselinových zvyškov (je to jeden z najkratších reťazcov proteínov) a pozostáva z dvoch vzájomne prepojených paralelných reťazcov nerovnakej dĺžky. Sekvencia fragmentov aminokyselín je znázornená na obr. 2.

Ryža. 2 MOLEKULA INZULÍNU, zostavené z 51 aminokyselinových zvyškov, fragmenty rovnakých aminokyselín sú označené zodpovedajúcou farbou pozadia. Cysteínové aminokyselinové zvyšky (skrátené označenie CIS) obsiahnuté v reťazci tvoria disulfidové mostíky -S-S-, ktoré spájajú dve molekuly polyméru, alebo tvoria prepojky v rámci jedného reťazca.

Molekuly aminokyseliny cysteín (tabuľka 1) obsahujú reaktívne sulfhydridové skupiny -SH, ktoré navzájom interagujú a vytvárajú disulfidové mostíky -S-S-. Úloha cysteínu vo svete proteínov je špeciálna, s jeho účasťou sa vytvárajú krížové väzby medzi molekulami polymérnych proteínov.

Kombinácia aminokyselín do polymérneho reťazca sa vyskytuje v živom organizme pod kontrolou nukleových kyselín, sú to tie, ktoré poskytujú prísne poradie zostavovania a regulujú pevnú dĺžku molekuly polyméru ( cm. NUKLEOVÉ KYSELINY).

Štruktúra bielkovín.

Zloženie molekuly proteínu, prezentované vo forme striedajúcich sa aminokyselinových zvyškov (obr. 2), sa nazýva primárna štruktúra proteínu. Medzi iminoskupinami HN prítomnými v polymérnom reťazci a karbonylovými skupinami CO, vodíkové väzby (cm. VODÍKOVÁ VÄZBA), v dôsledku toho molekula proteínu získa určitý priestorový tvar, ktorý sa nazýva sekundárna štruktúra. Najbežnejšie sú dva typy sekundárnej štruktúry v proteínoch.

Prvá možnosť, nazývaná α-helix, je implementovaná pomocou vodíkových väzieb v rámci jednej molekuly polyméru. Geometrické parametre molekuly, určené dĺžkami väzieb a väzbovými uhlami, sú také, že je možná tvorba vodíkových väzieb skupiny H-N a C=O, medzi ktorými sú dva peptidové fragmenty H-N-C=O (obr. 3).

Zloženie polypeptidového reťazca znázorneného na obr. 3 sa píše v skrátenej forme takto:

H 2 N-ALA VAL-ALA-LEY-ALA-ALA-ALA-ALA-VAL-ALA-ALA-ALA-COOH.

V dôsledku kontrakčného pôsobenia vodíkových väzieb získava molekula tvar špirály - tzv. α-helix, je znázornená ako zakrivená špirálová stuha prechádzajúca cez atómy tvoriace polymérny reťazec (obr. 4)

Ryža. štyri 3D MODEL MOLEKULY PROTEÍNU vo forme a-helixu. Vodíkové väzby sú znázornené zelenými bodkovanými čiarami. Valcový tvar špirály je viditeľný pri určitom uhle natočenia (na obrázku nie sú znázornené atómy vodíka). Farba jednotlivých atómov je daná v súlade s medzinárodnými pravidlami, ktoré odporúčajú čiernu pre atómy uhlíka, modrú pre dusík, červenú pre kyslík a žltú pre síru (biela farba sa odporúča pre atómy vodíka neznázornené na obrázku, v tomto prípade celá štruktúra zobrazená na tmavom pozadí).

Ďalší variant sekundárnej štruktúry, nazývaný β-štruktúra, vzniká tiež za účasti vodíkových väzieb, rozdiel je v tom, že H-N a C=O skupiny dvoch alebo viacerých paralelne umiestnených polymérnych reťazcov interagujú. Keďže polypeptidový reťazec má smer (obr. 1), sú možné varianty, keď je smer reťazcov rovnaký (paralelná β-štruktúra, obr. 5), alebo sú opačné (antiparalelná β-štruktúra, obr. 6) .

Na tvorbe β-štruktúry sa môžu podieľať polymérne reťazce rôzneho zloženia, pričom organické skupiny rámujúce polymérny reťazec (Ph, CH 2 OH a pod.) hrajú vo väčšine prípadov sekundárnu úlohu, vzájomné usporiadanie H-N a C =O skupín je rozhodujúce. Pretože s ohľadom na polymér H-N reťazce a C=O skupiny sú nasmerované rôznymi smermi (na obrázku hore a dole), je možná súčasná interakcia troch alebo viacerých reťazcov.

Zloženie prvého polypeptidového reťazca na obr. 5:

H2N-LEI-ALA-FEN-GLI-ALA-ALA-COOH

Zloženie druhého a tretieho reťazca:

H2N-GLY-ALA-SER-GLY-TRE-ALA-COOH

Zloženie polypeptidových reťazcov znázornených na obr. 6, rovnako ako na obr. 5, rozdiel je v tom, že druhá reťaz má opačný (v porovnaní s obr. 5) smer.

Vo vnútri jednej molekuly je možné vytvoriť β-štruktúru, keď sa ukáže, že fragment reťazca v určitom úseku je otočený o 180 °, v tomto prípade majú dve vetvy jednej molekuly opačný smer, čo vedie k vytvoreniu antiparalelnej β-štruktúry (obr. 7).

Štruktúra znázornená na obr. 7 na plochom obrázku, znázornenom na obr. 8 vo forme trojrozmerného modelu. Úseky β-štruktúry sú zvyčajne zjednodušene označené plochým vlnitým pásikom, ktorý prechádza cez atómy tvoriace polymérny reťazec.

V štruktúre mnohých proteínov sa striedajú úseky α-helixu a pásikovité β-štruktúry, ako aj jednotlivé polypeptidové reťazce. Ich vzájomné usporiadanie a striedanie v polymérnom reťazci sa nazýva terciárna štruktúra proteínu.

Spôsoby znázornenia štruktúry proteínov sú uvedené nižšie s použitím rastlinného proteínového krambinu ako príkladu. Štrukturálne vzorce proteínov, ktoré často obsahujú až stovky fragmentov aminokyselín, sú zložité, ťažkopádne a ťažko pochopiteľné, preto sa niekedy používajú zjednodušené štruktúrne vzorce - bez symbolov chemické prvky(obr. 9, variant A), ale zároveň zachovať farbu valenčných ťahov v súlade s medzinárodnými pravidlami (obr. 4). V tomto prípade je vzorec prezentovaný nie v plochom, ale v priestorovom obrázku, ktorý zodpovedá skutočnej štruktúre molekuly. Táto metóda umožňuje napríklad rozlíšiť disulfidové mostíky (podobné ako v inzulíne, obr. 2), fenylové skupiny v bočnom rámci reťazca a pod.. Obraz molekúl vo forme trojrozmerných modelov (guličky spojené tyčami) je o niečo prehľadnejšia (obr. 9, možnosť B). Obidve metódy však neumožňujú zobraziť terciárnu štruktúru, preto americká biofyzika Jane Richardson navrhla znázorniť α-štruktúry ako špirálovo stočené stuhy (pozri obr. 4), β-štruktúry ako ploché vlnité stuhy (obr. 8) a spojovacie sú to jednoduché reťazce - vo forme tenkých zväzkov, každý typ štruktúry má svoju vlastnú farbu. Tento spôsob zobrazenia terciárnej štruktúry proteínu je v súčasnosti široko používaný (obr. 9, variant B). Niekedy sa pre väčší informačný obsah zobrazuje terciárna štruktúra a zjednodušený štruktúrny vzorec spolu (obr. 9, variant D). Existujú aj modifikácie metódy navrhnutej Richardsonom: α-helixy sú znázornené ako valce a β-štruktúry sú vo forme plochých šípok označujúcich smer reťazca (obr. 9, možnosť E). Menej častý je spôsob, pri ktorom je celá molekula znázornená ako zväzok, kde sú nerovnaké štruktúry odlíšené rôznymi farbami a disulfidové mostíky sú znázornené ako žlté mostíky (obr. 9, variant E).

Možnosť B je najvhodnejšia na vnímanie, keď pri zobrazení terciárnej štruktúry nie sú uvedené štrukturálne vlastnosti proteínu (fragmenty aminokyselín, poradie ich striedania, vodíkové väzby), pričom sa predpokladá, že všetky proteíny obsahujú „podrobnosti“ prevzaté zo štandardnej sady dvadsiatich aminokyselín (tabuľka 1). Hlavnou úlohou pri zobrazení terciárnej štruktúry je ukázať priestorové usporiadanie a striedanie sekundárnych štruktúr.

Ryža. 9 RÔZNE VERZIE OBRÁZKU ŠTRUKTÚRY CRUMBIN PROTEIN.
A je štruktúrny vzorec v priestorovom obrázku.
B - štruktúra vo forme trojrozmerného modelu.
B je terciárna štruktúra molekuly.
G - kombinácia možností A a B.
E - zjednodušený obraz terciárnej štruktúry.
E - terciárna štruktúra s disulfidovými mostíkmi.

Najvhodnejšia na vnímanie je trojrozmerná terciárna štruktúra (možnosť B), oslobodená od detailov štruktúrneho vzorca.

Proteínová molekula, ktorá má terciárnu štruktúru, spravidla nadobúda určitú konfiguráciu, ktorá je tvorená polárnymi (elektrostatickými) interakciami a vodíkovými väzbami. Výsledkom je, že molekula má formu kompaktnej špirály - globulárne proteíny (globuly, lat. guľôčka), alebo vláknité - fibrilárne proteíny (fibra, lat. vlákno).

Príkladom globulárnej štruktúry je proteín albumín, proteín kuracieho vajca patrí do triedy albumínov. Polymérny reťazec albumínu sa skladá hlavne z alanínu, kyseliny asparágovej, glycínu a cysteínu, ktoré sa striedajú v určitom poradí. Terciárna štruktúra obsahuje α-helixy spojené jednoduchými reťazcami (obr. 10).

Ryža. desať GLOBULÁRNA ŠTRUKTÚRA ALBUMINU

Príkladom fibrilárnej štruktúry je fibroínový proteín. Obsahujú veľké množstvo glycínových, alanínových a serínových zvyškov (každý druhý aminokyselinový zvyšok je glycín); cysteínové zvyšky obsahujúce sulfhydridové skupiny chýbajú. Fibroín, hlavná zložka prírodného hodvábu a pavučín, obsahuje β-štruktúry spojené jednoduchými reťazcami (obr. 11).

Ryža. jedenásť FIBRILÁRNE PROTEÍNOVÉ VLÁKNA

Možnosť vytvorenia terciárnej štruktúry určitého typu je vlastná primárnej štruktúre proteínu, t.j. vopred určené poradím striedania aminokyselinových zvyškov. Z určitých súborov takýchto zvyškov vznikajú prevažne α-helixy (takýchto súborov je pomerne veľa), ďalší súbor vedie k vzniku β-štruktúr, jednotlivé reťazce sú charakteristické svojim zložením.

Niektoré proteínové molekuly, pričom si zachovávajú terciárnu štruktúru, sa dokážu spájať do veľkých supramolekulových agregátov, pričom ich držia pohromade polárne interakcie, ako aj vodíkové väzby. Takéto formácie sa nazývajú kvartérna štruktúra proteínu. Napríklad proteín feritín, ktorý pozostáva hlavne z leucínu, kyseliny glutámovej, kyseliny asparágovej a histidínu (fericín obsahuje všetkých 20 aminokyselinových zvyškov v rôznych množstvách), tvorí terciárnu štruktúru štyroch paralelne uložených α-helixov. Keď sa molekuly spoja do jedného celku (obr. 12), vytvorí sa kvartérna štruktúra, ktorá môže obsahovať až 24 molekúl feritínu.

Obr.12 TVORBA KVTERNÁRNEJ ŠTRUKTÚRY GLOBÁLNEHO PROTEÍNU FERITÍNU

Ďalším príkladom supramolekulárnych útvarov je štruktúra kolagénu. Je to fibrilárny proteín, ktorého reťazce sú postavené hlavne z glycínu striedajúceho sa s prolínom a lyzínom. Štruktúra obsahuje jednoduché reťazce, trojité α-helixy, striedajúce sa s pásikovitými β-štruktúrami naukladanými v paralelných zväzkoch (obr. 13).

Obr.13 SUPRAMOLEKULÁRNA ŠTRUKTÚRA KOLAGÉNOVÉHO FIBRILÁRNEHO PROTEÍNU

Chemické vlastnosti bielkovín.

Pôsobením organických rozpúšťadiel, odpadových produktov niektorých baktérií (mliečna fermentácia) alebo zvýšením teploty dochádza k deštrukcii sekundárnych a terciárnych štruktúr bez poškodenia primárnej štruktúry, v dôsledku čoho proteín stráca rozpustnosť a stráca biologickú aktivitu. proces sa nazýva denaturácia, teda strata prirodzené vlastnosti, napríklad zrážanie kyslého mlieka, zrážaný proteín z uvareného kuracieho vajca. Pri zvýšených teplotách sa bielkoviny živých organizmov (najmä mikroorganizmov) rýchlo denaturujú. Takéto bielkoviny nie sú schopné podieľať sa na biologických procesoch, v dôsledku čoho mikroorganizmy odumierajú, takže varené (alebo pasterizované) mlieko sa môže skladovať dlhšie.

Peptidové väzby H-N-C=O, ktoré tvoria polymérny reťazec molekuly proteínu, sa v prítomnosti kyselín alebo zásad hydrolyzujú a polymérny reťazec sa preruší, čo môže v konečnom dôsledku viesť k pôvodným aminokyselinám. Peptidové väzby obsiahnuté v α-helixoch alebo β-štruktúrach sú odolnejšie voči hydrolýze a rôznym chemickým útokom (v porovnaní s rovnakými väzbami v jednoduchých reťazcoch). Jemnejšie rozloženie molekuly proteínu na jednotlivé aminokyseliny sa uskutočňuje v bezvodom médiu pomocou hydrazínu H 2 N–NH 2, pričom všetky fragmenty aminokyselín, okrem posledného, ​​tvoria takzvané hydrazidy karboxylových kyselín obsahujúce fragment C (O)–HN–NH 2 (obr. 14).

Ryža. štrnásť. ŠTEPENIE POLYPEPTIDOV

Takáto analýza môže poskytnúť informácie o zložení aminokyselín proteínu, ale dôležitejšie je poznať ich sekvenciu v molekule proteínu. Jednou z metód široko používaných na tento účel je pôsobenie fenylizotiokyanátu (FITC) na polypeptidový reťazec, ktorý sa v alkalickom prostredí naviaže na polypeptid (od konca, ktorý obsahuje aminoskupinu), a keď sa zmení reakcia média na kyslé, oddeľuje sa od reťazca, pričom si so sebou berie fragment jednej aminokyseliny (obr. 15).

Ryža. pätnásť SEKVENČNÉ štiepenie POLYPEPTIDOV

Na takúto analýzu bolo vyvinutých mnoho špeciálnych metód, vrátane tých, ktoré začínajú „rozkladať“ molekulu proteínu na jej zložky, počnúc od karboxylového konca.

Krížové disulfidové mostíky S-S (vzniknuté interakciou cysteínových zvyškov, obr. 2 a 9) sa štiepia a pôsobením rôznych redukčných činidiel sa menia na HS-skupiny. Pôsobením oxidačných činidiel (kyslík alebo peroxid vodíka) dochádza opäť k tvorbe disulfidových mostíkov (obr. 16).

Ryža. 16. Štiepenie disulfidových mostíkov

Na vytvorenie ďalších krížových väzieb v proteínoch sa využíva reaktivita amino a karboxylových skupín. Prístupnejšie pre rôzne interakcie sú aminoskupiny, ktoré sú v bočnom rámci reťazca – fragmenty lyzínu, asparagínu, lyzínu, prolínu (tabuľka 1). Pri interakcii takýchto aminoskupín s formaldehydom dochádza ku kondenzácii a vznikajú krížové mostíky –NH–CH2–NH– (obr. 17).

Ryža. 17 VYTVORENIE DODATOČNÝCH PRIECHOVÝCH MOSTÍKOV MEDZI MOLEKULAMI PROTEÍNOV.

Koncové karboxylové skupiny proteínu sú schopné reagovať s komplexnými zlúčeninami niektorých viacmocných kovov (častejšie sa používajú zlúčeniny chrómu), dochádza aj k zosieťovaniu. Oba procesy sa používajú pri činení koží.

Úloha bielkovín v tele.

Úloha bielkovín v tele je rôznorodá.

Enzýmy(kvasenie lat. - fermentácia), ich iný názov je enzýmy (en zumh grécky. - v kvasinkách) - sú to proteíny s katalytickou aktivitou, sú schopné tisíckrát zvýšiť rýchlosť biochemických procesov. Pôsobením enzýmov sa základné zložky potravy: bielkoviny, tuky a uhľohydráty rozkladajú na jednoduchšie zlúčeniny, z ktorých sa potom syntetizujú nové makromolekuly, ktoré sú potrebné pre určitý typ tela. Enzýmy sa podieľajú na mnohých biochemické procesy syntéza, napríklad pri syntéze bielkovín (niektoré bielkoviny pomáhajú syntetizovať iné). Cm. ENZÝMY

Enzýmy sú nielen vysoko účinné katalyzátory, ale aj selektívne (riadia reakciu striktne daným smerom). V ich prítomnosti prebieha reakcia s takmer 100% výťažkom bez tvorby vedľajších produktov a zároveň sú podmienky prúdenia mierne: normálny atmosférický tlak a teplota živého organizmu. Pre porovnanie, syntéza amoniaku z vodíka a dusíka v prítomnosti aktivovaného železného katalyzátora sa uskutočňuje pri 400–500 °C a tlaku 30 MPa, výťažok amoniaku je 15–25 % na cyklus. Enzýmy sa považujú za neprekonateľné katalyzátory.

Intenzívne štúdium enzýmov začalo v polovici 19. storočia, v súčasnosti je študovaných viac ako 2000 rôznych enzýmov, čo je najrozmanitejšia trieda proteínov.

Názvy enzýmov sú nasledovné: názov činidla, s ktorým enzým interaguje, alebo názov katalyzovanej reakcie sa pridáva s koncovkou -aza, napríklad argináza rozkladá arginín (tabuľka 1), dekarboxyláza katalyzuje dekarboxyláciu, t.j. eliminácia C02 z karboxylovej skupiny:

– COOH → – CH + CO 2

Na presnejšie označenie úlohy enzýmu je často v jeho názve uvedený predmet aj typ reakcie, napríklad alkoholdehydrogenáza je enzým, ktorý dehydrogenuje alkoholy.

Pre niektoré enzýmy objavené pomerne dávno sa zachoval historický názov (bez koncovky -aza), napríklad pepsín (pepsis, grécky. trávenie) a trypsín (trypsa grécky. skvapalnenie), tieto enzýmy rozkladajú proteíny.

Pre systematizáciu sú enzýmy spojené do veľkých tried, klasifikácia je založená na type reakcie, triedy sú pomenované podľa všeobecného princípu - názov reakcie a koncovka - aza. Niektoré z týchto tried sú uvedené nižšie.

Oxidoreduktáza sú enzýmy, ktoré katalyzujú redoxné reakcie. Dehydrogenázy zahrnuté v tejto triede vykonávajú prenos protónov, napríklad alkoholdehydrogenáza (ADH) oxiduje alkoholy na aldehydy, následná oxidácia aldehydov na karboxylové kyseliny je katalyzovaná aldehyddehydrogenázami (ALDH). Oba procesy prebiehajú v organizme pri spracovaní etanolu na kyselinu octovú (obr. 18).

Ryža. osemnásť DVOJSTUPŇOVÁ OXIDÁCIA ETANOLU predtým octová kyselina

Narkoticky nepôsobí etanol, ale medziprodukt acetaldehyd, čím nižšia je aktivita enzýmu ALDH, tým pomalšie prechádza druhý stupeň - oxidácia acetaldehydu na kyselinu octovú a čím dlhší a silnejší je opojný účinok z požitia. etanolu. Analýza ukázala, že viac ako 80 % predstaviteľov žltej rasy má relatívne nízku aktivitu ALDH a teda výrazne horšiu toleranciu alkoholu. Dôvodom tejto prirodzenej zníženej aktivity ALDH je, že časť zvyškov kyseliny glutámovej v „oslabenej“ molekule ALDH je nahradená fragmentmi lyzínu (tabuľka 1).

transferázy- enzýmy, ktoré katalyzujú prenos funkčných skupín, napríklad transimináza katalyzuje prenos aminoskupiny.

Hydrolázy sú enzýmy, ktoré katalyzujú hydrolýzu. Vyššie uvedené trypsín a pepsín hydrolyzujú peptidové väzby a lipázy štiepia esterovú väzbu v tukoch:

–RC(O)OR1 + H20 → –RC(O)OH + HOR1

Liase- enzýmy, ktoré katalyzujú reakcie prebiehajúce nehydrolytickým spôsobom, v dôsledku takýchto reakcií dochádza k prasknutiu C-C spojenia, C-O, C-N a vznik nových väzieb. Do tejto triedy patrí enzým dekarboxyláza

izomerázy- enzýmy, ktoré katalyzujú izomerizáciu, napríklad premenu kyseliny maleínovej na kyselinu fumarovú (obr. 19), toto je príklad cis-trans izomerizácie (pozri ISOMERIA).

Ryža. 19. IZOMERIZÁCIA KYSELINY MALEJ do kyseliny fumarovej v prítomnosti enzýmu.

Pozoruje sa práca enzýmov všeobecný princíp, podľa ktorého vždy existuje štruktúrna zhoda medzi enzýmom a činidlom zrýchlenej reakcie. Podľa obrazného vyjadrenia jedného zo zakladateľov doktríny enzýmov E. Fishera pristupuje činidlo k enzýmu ako kľúč od zámku. V tomto ohľade každý enzým katalyzuje určitú chemickú reakciu alebo skupinu reakcií rovnakého typu. Niekedy môže enzým pôsobiť na jednu zlúčeninu, ako je ureáza (urón grécky. - moč) katalyzuje iba hydrolýzu močoviny:

(H2N)2C \u003d O + H2O \u003d CO2 + 2NH3

Najjemnejšiu selektivitu vykazujú enzýmy, ktoré rozlišujú opticky aktívne antipódy – ľavo- a pravotočivé izoméry. L-argináza pôsobí iba na ľavotočivý arginín a neovplyvňuje pravotočivý izomér. L-laktátdehydrogenáza pôsobí len na ľavotočivé estery kyseliny mliečnej, tzv. laktáty (laktis lat. mlieko), zatiaľ čo D-laktátdehydrogenáza rozkladá iba D-laktáty.

Väčšina enzýmov nepôsobí na jednu, ale na skupinu príbuzných zlúčenín, napríklad trypsín „uprednostňuje“ štiepenie peptidových väzieb tvorených lyzínom a arginínom (tabuľka 1.)

Katalytické vlastnosti niektorých enzýmov, ako sú hydrolázy, sú určené výlučne štruktúrou samotnej proteínovej molekuly, iná trieda enzýmov - oxidoreduktázy (napríklad alkoholdehydrogenáza) môže byť aktívna len v prítomnosti neproteínových molekúl spojených s nimi - vitamíny, ktoré aktivujú Mg, Ca, Zn, Mn a fragmenty nukleových kyselín (obr. 20).

Ryža. dvadsať MOLEKULA DEHYDROGENÁZY ALKOHOLDU

Transportné proteíny viažu a transportujú rôzne molekuly alebo ióny cez bunkové membrány (vo vnútri aj mimo bunky), ako aj z jedného orgánu do druhého.

Napríklad hemoglobín pri prechode krvi cez pľúca viaže kyslík a dodáva ho do rôznych telesných tkanív, kde sa kyslík uvoľňuje a následne využíva na oxidáciu zložiek potravy, pričom tento proces slúži ako zdroj energie (niekedy sa používa termín „spaľovanie“ potravy v používa sa telo).

Okrem proteínovej časti obsahuje hemoglobín komplexnú zlúčeninu železa s molekulou cyklického porfyrínu (porfyros grécky. - fialová), ktorá určuje červenú farbu krvi. Práve tento komplex (obr. 21 vľavo) zohráva úlohu nosiča kyslíka. V hemoglobíne sa komplex porfyrínu železa nachádza vo vnútri molekuly proteínu a je zadržiavaný polárnymi interakciami, ako aj koordinačnou väzbou s dusíkom v histidíne (tabuľka 1), ktorý je súčasťou proteínu. Molekula O2, ktorá je prenášaná hemoglobínom, je pripojená koordinačnou väzbou k atómu železa z opačnej strany, ku ktorej je pripojený histidín (obr. 21 vpravo).

Ryža. 21 ŠTRUKTÚRA KOMPLEXU ŽELEZA

Štruktúra komplexu je zobrazená vpravo vo forme trojrozmerného modelu. Komplex je držaný v molekule proteínu koordinačnou väzbou (prerušovaná modrá čiara) medzi atómom Fe a atómom N v histidíne, ktorý je súčasťou proteínu. Molekula O 2, ktorá je prenášaná hemoglobínom, je koordinovaná (červená bodkovaná čiara) k atómu Fe z opačnej krajiny planárneho komplexu.

Hemoglobín je jedným z najviac študovaných proteínov, pozostáva z a-helixov spojených jednoduchými reťazcami a obsahuje štyri komplexy železa. Hemoglobín je teda ako objemný balík na prenos štyroch molekúl kyslíka naraz. Forma hemoglobínu zodpovedá globulárnym proteínom (obr. 22).

Ryža. 22 GLOBULÁRNA FORMA HEMOGLOBÍNU

Hlavnou „výhodou“ hemoglobínu je, že pridávanie kyslíka a jeho následné odštiepenie pri prenose do rôznych tkanív a orgánov prebieha rýchlo. Oxid uhoľnatý, CO (oxid uhoľnatý), sa ešte rýchlejšie viaže na Fe v hemoglobíne, ale na rozdiel od O 2 tvorí komplex, ktorý sa ťažko rozkladá. Výsledkom je, že takýto hemoglobín nie je schopný viazať O 2, čo vedie (pri vdýchnutí veľkého množstva oxidu uhoľnatého) k smrti tela udusením.

Druhou funkciou hemoglobínu je prenos vydychovaného CO 2, nie však atóm železa, ale H 2 N-skupiny proteínu sa podieľa na procese dočasnej väzby oxidu uhličitého.

„Výkon“ proteínov závisí od ich štruktúry, napríklad nahradenie jediného aminokyselinového zvyšku kyseliny glutámovej v polypeptidovom reťazci hemoglobínu valínovým zvyškom (zriedkavo pozorovaná vrodená anomália) vedie k ochoreniu nazývanému kosáčikovitá anémia.

Existujú tiež transportné proteíny, ktoré dokážu viazať tuky, glukózu, aminokyseliny a prenášať ich vnútri aj mimo buniek.

Transportné proteíny špeciálneho typu neprenášajú látky samotné, ale pôsobia ako „regulátor transportu“, pričom určité látky prechádzajú cez membránu (vonkajšiu stenu bunky). Takéto proteíny sa často nazývajú membránové proteíny. Majú tvar dutého valca a tým, že sú zapustené do steny membrány, zabezpečujú pohyb niektorých polárnych molekúl alebo iónov do bunky. Príkladom membránového proteínu je porín (obr. 23).

Ryža. 23 PORINOVÝ PROTEÍN

Potravinové a zásobné bielkoviny, ako už názov napovedá, slúžia ako zdroje vnútornej výživy, častejšie pre embryá rastlín a živočíchov, ako aj v raných štádiách vývoja mladých organizmov. Medzi bielkoviny v potrave patrí albumín (obr. 10) – hlavná zložka vaječného bielka, ako aj kazeín – hlavná bielkovina mlieka. Pôsobením enzýmu pepsín sa kazeín zráža v žalúdku, čo zabezpečuje jeho zadržiavanie v tráviacom trakte a účinné vstrebávanie. Kazeín obsahuje fragmenty všetkých aminokyselín, ktoré telo potrebuje.

Vo feritíne (obr. 12), ktorý je obsiahnutý v tkanivách zvierat, sú uložené ióny železa.

Myoglobín je tiež zásobný proteín, ktorý sa zložením a štruktúrou podobá hemoglobínu. Myoglobín sa koncentruje najmä vo svaloch, jeho hlavnou úlohou je ukladanie kyslíka, ktorý mu hemoglobín dáva. Rýchlo sa nasýti kyslíkom (oveľa rýchlejšie ako hemoglobín) a potom ho postupne prenáša do rôznych tkanív.

Štrukturálne proteíny plnia ochrannú funkciu (koža) alebo oporu – držia telo pohromade a dodávajú mu silu (chrupavka a šľachy). Ich hlavnou zložkou je fibrilárny proteín kolagén (obr. 11), najbežnejšia bielkovina živočíšneho sveta, v tele cicavcov tvorí takmer 30 % z celkovej hmoty bielkovín. Kolagén má vysokú pevnosť v ťahu (pevnosť kože je známa), ale vzhľadom na nízky obsah priečnych väzieb v kožnom kolagéne nie sú zvieracie kože v surovej forme príliš vhodné na výrobu rôznych produktov. Na zníženie opuchu kože vo vode, zmršťovania pri vysychaní, ako aj na zvýšenie pevnosti v zavodnenom stave a zvýšenie elasticity v kolagéne vznikajú ďalšie priečne väzby (obr. 15a), ide o tzv. proces opaľovania pokožky.

V živých organizmoch sa molekuly kolagénu, ktoré vznikli v procese rastu a vývoja organizmu, neaktualizujú a nenahrádzajú sa novosyntetizovanými. S pribúdajúcim vekom sa zvyšuje počet priečnych väzieb v kolagéne, čo vedie k zníženiu jeho elasticity, a keďže nedochádza k obnove, zmeny súvisiace s vekom- zvýšená krehkosť chrupaviek a šliach, výskyt vrások na koži.

Kĺbové väzy obsahujú elastín, štrukturálny proteín, ktorý sa ľahko naťahuje v dvoch rozmeroch. Najväčšiu elasticitu má rezilínový proteín, ktorý sa u niektorých druhov hmyzu nachádza v miestach uchytenia krídel.

Rohové útvary – vlasy, nechty, perie, pozostávajúce hlavne z keratínového proteínu (obr. 24). Jeho hlavným rozdielom je výrazný obsah cysteínových zvyškov, ktoré tvoria disulfidové mostíky, čo dáva vlasom, ale aj vlneným látkam vysokú elasticitu (schopnosť obnoviť pôvodný tvar po deformácii).

Ryža. 24. FRAGMENT FIBRILÁRNEHO PROTEÍNU KERATÍNU

Pre nevratnú zmenu tvaru keratínového predmetu je potrebné najskôr zničiť disulfidové mostíky pomocou redukčného činidla, dať mu nový tvar a potom znovu vytvoriť disulfidové mostíky pomocou oxidačného činidla (obr. 16), takto sa robí napríklad trvalá na vlasoch.

So zvýšením obsahu cysteínových zvyškov v keratíne, a teda zvýšením počtu disulfidových mostíkov, schopnosť deformácie zmizne, ale súčasne sa objaví vysoká pevnosť (až 18% cysteínových fragmentov sú obsiahnuté v rohoch kopytníkov a pancieroch korytnačiek). Telo cicavcov obsahuje až 30 rôzne druhy keratín.

Fibrilárny proteín fibroín príbuzný keratínu vylučovaný húsenicami priadky morušovej počas skrúcania kukly, ako aj pavúkmi počas tkania siete, obsahuje iba β-štruktúry spojené jednoduchými reťazcami (obr. 11). Na rozdiel od keratínu, fibroín nemá priečne disulfidové mostíky, má veľmi silnú pevnosť v ťahu (pevnosť na jednotku prierezu niektorých vzoriek siete je vyššia ako u oceľových káblov). Kvôli absencii priečnych väzieb je fibroín neelastický (je známe, že vlnené tkaniny sú takmer nezmazateľné a hodvábne tkaniny sa ľahko pokrčia).

regulačné proteíny.

Regulačné proteíny, častejšie označované ako hormóny, sa podieľajú na rôznych fyziologických procesoch. Napríklad hormón inzulín (obr. 25) pozostáva z dvoch α-reťazcov spojených disulfidovými mostíkmi. Inzulín reguluje metabolické procesy zahŕňajúce glukózu, jeho absencia vedie k cukrovke.

Ryža. 25 PROTEÍNOVÝ INZULÍN

Hypofýza mozgu syntetizuje hormón, ktorý reguluje rast tela. Existujú regulačné proteíny, ktoré riadia biosyntézu rôznych enzýmov v tele.

Kontraktilné a motorické proteíny dávajú telu predovšetkým schopnosť sťahovať sa, meniť tvar a pohybovať sa rozprávame sa o svaloch. 40% hmoty všetkých bielkovín obsiahnutých vo svaloch tvorí myozín (mys, myos, grécky. - sval). Jeho molekula obsahuje fibrilárnu aj globulárnu časť (obr. 26)

Ryža. 26 MOLEKULA MYOZÍNU

Takéto molekuly sa spájajú do veľkých agregátov obsahujúcich 300 až 400 molekúl.

Pri zmene koncentrácie vápenatých iónov v priestore obklopujúcom svalové vlákna dochádza k reverzibilnej zmene konformácie molekúl – zmene tvaru reťazca v dôsledku rotácie jednotlivých fragmentov okolo valenčných väzieb. To vedie k svalovej kontrakcii a relaxácii, signál na zmenu koncentrácie vápenatých iónov prichádza z nervových zakončení vo svalových vláknach. Umelá kontrakcia svalov môže byť spôsobená pôsobením elektrických impulzov, čo vedie k prudkej zmene koncentrácie iónov vápnika, to je základ pre stimuláciu srdcového svalu, aby sa obnovila práca srdca.

Ochranné proteíny umožňujú chrániť telo pred inváziou útočiacich baktérií, vírusov a pred prienikom cudzích proteínov (všeobecný názov cudzích telies je antigény). Úlohu ochranných proteínov plnia imunoglobulíny (ich iný názov je protilátky), rozpoznávajú antigény, ktoré prenikli do tela a pevne sa na ne viažu. V tele cicavcov, vrátane človeka, existuje päť tried imunoglobulínov: M, G, A, D a E, ich štruktúra, ako už názov napovedá, je guľovitá, navyše sú všetky postavené podobným spôsobom. Molekulárna organizácia protilátok je znázornená nižšie s použitím imunoglobulínu triedy G ako príkladu (obr. 27). Molekula obsahuje štyri polypeptidové reťazce spojené tromi S-S disulfidovými mostíkmi (na obr. 27 sú znázornené zosilnenými valenčnými väzbami a veľkými symbolmi S), navyše každý polymérny reťazec obsahuje vnútroreťazcové disulfidové mostíky. Dva veľké polymérne reťazce (zvýraznené modrou farbou) obsahujú 400 – 600 aminokyselinových zvyškov. Dve ďalšie reťaze (zvýraznené v zelenej farbe) sú takmer o polovicu kratšie a obsahujú približne 220 aminokyselinových zvyškov. Všetky štyri reťazce sú umiestnené tak, že koncové H2N-skupiny sú nasmerované jedným smerom.

Ryža. 27 SCHÉMAČNÝ NÁKRES ŠTRUKTÚRY IMUNOGLOBULÍNU

Po kontakte tela s cudzorodým proteínom (antigénom) začnú bunky imunitného systému produkovať imunoglobulíny (protilátky), ktoré sa hromadia v krvnom sére. V prvej fáze hlavnú prácu vykonávajú reťazové časti obsahujúce svorku H 2 N (na obr. 27 sú príslušné časti označené svetlomodrou a svetlozelenou farbou). Toto sú miesta zachytávania antigénu. V procese syntézy imunoglobulínov sa tieto miesta vytvárajú tak, aby ich štruktúra a konfigurácia čo najviac zodpovedala štruktúre blížiaceho sa antigénu (ako kľúč k zámku, ako enzýmy, ale úlohy sú v tomto prípade rôzne). Pre každý antigén sa teda ako imunitná odpoveď vytvorí striktne individuálna protilátka. Ani jeden známy proteín nedokáže tak „plasticky“ zmeniť svoju štruktúru v závislosti od vonkajších faktorov, okrem imunoglobulínov. Enzýmy riešia problém štrukturálnej zhody s činidlom iným spôsobom - pomocou gigantickej sady rôznych enzýmov pre všetky možné prípady a imunoglobulíny zakaždým prebudujú "pracovný nástroj". Navyše, pántová oblasť imunoglobulínu (obr. 27) poskytuje dvom záchytným oblastiam určitú nezávislú mobilitu, výsledkom čoho je, že molekula imunoglobulínu môže okamžite „nájsť“ dve najvhodnejšie oblasti na záchyt v antigéne, aby sa bezpečne fixovala to sa podobá činnostiam kôrovcov.

Ďalej sa zapne reťazec postupných reakcií imunitného systému tela, spoja sa imunoglobulíny iných tried, v dôsledku čoho sa deaktivuje cudzí proteín a potom sa zničí a odstráni antigén (cudzí mikroorganizmus alebo toxín).

Po kontakte s antigénom sa maximálna koncentrácia imunoglobulínu dosiahne (v závislosti od povahy antigénu a individuálnych vlastností samotného organizmu) v priebehu niekoľkých hodín (niekedy aj niekoľkých dní). Telo si takýto kontakt zapamätá a pri opätovnom napadnutí rovnakým antigénom sa imunoglobulíny hromadia v krvnom sére oveľa rýchlejšie a vo väčšom množstve – vzniká získaná imunita.

Vyššie uvedená klasifikácia proteínov je trochu ľubovoľná, napríklad trombínový proteín, spomínaný medzi ochrannými proteínmi, je v podstate enzým, ktorý katalyzuje hydrolýzu peptidových väzieb, to znamená, že patrí do triedy proteáz.

Ochranné bielkoviny sa často označujú ako bielkoviny hadieho jedu a toxické bielkoviny niektorých rastlín, keďže ich úlohou je chrániť telo pred poškodením.

Existujú proteíny, ktorých funkcie sú také jedinečné, že je ťažké ich klasifikovať. Napríklad proteín monelín, ktorý sa nachádza v africkej rastline, má veľmi sladkú chuť a bol predmetom výskumu ako netoxická látka, ktorú možno použiť namiesto cukru na prevenciu obezity. Krvná plazma niektorých antarktických rýb obsahuje bielkoviny s nemrznúcimi vlastnosťami, ktoré bránia zamrznutiu krvi týchto rýb.

Umelá syntéza bielkovín.

Kondenzácia aminokyselín vedúca k polypeptidovému reťazcu je dobre preštudovaný proces. Je možné napríklad uskutočniť kondenzáciu ktorejkoľvek aminokyseliny alebo zmesi kyselín a získať polymér obsahujúci rovnaké jednotky alebo rôzne jednotky, ktoré sa striedajú v náhodnom poradí. Takéto polyméry sa len málo podobajú prírodným polypeptidom a nevykazujú biologickú aktivitu. Hlavnou úlohou je spojiť aminokyseliny v presne definovanom, vopred naplánovanom poradí, aby sa reprodukovala sekvencia aminokyselinových zvyškov v prírodných proteínoch. Americký vedec Robert Merrifield navrhol originálnu metódu, ktorá umožnila takýto problém vyriešiť. Podstatou metódy je, že prvá aminokyselina je naviazaná na nerozpustný polymérny gél, ktorý obsahuje reaktívne skupiny, ktoré sa môžu spájať s –COOH – skupinami aminokyseliny. Ako taký polymérny substrát bol použitý zosieťovaný polystyrén s chlórmetylovými skupinami. Aby aminokyselina použitá pre reakciu nereagovala sama so sebou a aby sa nepripojila k H2N-skupine k substrátu, je aminoskupina tejto kyseliny vopred blokovaná objemným substituentom [(C4H 9) 3] 3OS (O)-skupina. Po pripojení aminokyseliny k polymérnemu nosiču sa blokujúca skupina odstráni a do reakčnej zmesi sa zavedie ďalšia aminokyselina, v ktorej je tiež vopred blokovaná skupina H2N. V takomto systéme je možná len interakcia H2N-skupiny prvej aminokyseliny a -COOH skupiny druhej kyseliny, ktorá sa uskutočňuje v prítomnosti katalyzátorov (fosfóniových solí). Potom sa celá schéma zopakuje so zavedením tretej aminokyseliny (obr. 28).

Ryža. 28. SCHÉMA SYNTÉZY POLYPEPTIDOVÝCH REŤAZCOV

Na posledná etapa výsledné polypeptidové reťazce sú oddelené od polystyrénového nosiča. Teraz je celý proces automatizovaný, existujú automatické syntetizátory peptidov, ktoré fungujú podľa opísanej schémy. Táto metóda bola použitá na syntézu mnohých peptidov používaných v medicíne a poľnohospodárstvo. Bolo tiež možné získať zlepšené analógy prírodných peptidov so selektívnym a zvýšeným účinkom. Boli syntetizované niektoré malé proteíny, ako napríklad hormón inzulín a niektoré enzýmy.

Existujú aj metódy syntézy proteínov, ktoré replikujú prirodzené procesy: syntetizujú sa fragmenty nukleových kyselín, ktoré sú nakonfigurované tak, aby produkovali určité proteíny, potom sa tieto fragmenty vložia do živého organizmu (napríklad do baktérie), po čom telo začne produkovať požadovaný proteín. Týmto spôsobom sa teraz získavajú významné množstvá ťažko dostupných proteínov a peptidov, ako aj ich analógov.

Proteíny ako zdroje potravy.

Bielkoviny sa v živom organizme neustále štiepia na svoje pôvodné aminokyseliny (za nepostrádateľnej účasti enzýmov), niektoré aminokyseliny prechádzajú na iné, potom sa bielkoviny opäť syntetizujú (aj za účasti enzýmov), t.j. telo sa neustále obnovuje. Niektoré bielkoviny (kolagén pokožky, vlasov) sa neobnovujú, telo ich priebežne stráca a namiesto toho si syntetizuje nové. Proteíny ako zdroje potravy plnia dve hlavné funkcie: dodávajú telu stavebný materiál na syntézu nových molekúl bielkovín a okrem toho dodávajú telu energiu (zdroje kalórií).

Mäsožravé cicavce (vrátane človeka) získavajú potrebné bielkoviny z rastlinnej a živočíšnej potravy. Žiadna z bielkovín získaných z potravy sa do tela neintegruje v nezmenenej forme. V tráviacom trakte sa všetky vstrebané bielkoviny rozložia na aminokyseliny a už sa z nich vybudujú bielkoviny potrebné pre konkrétny organizmus, pričom zvyšných 12 sa dá v tele syntetizovať z 8 esenciálnych kyselín (tabuľka 1), ak nie sú dodávané v dostatočnom množstve s potravou, ale esenciálne kyseliny sa musia bezpodmienečne dodávať s potravou. Atómy síry v cysteíne získava telo s esenciálnou aminokyselinou metionínom. Časť bielkovín sa rozkladá, čím sa uvoľňuje energia potrebná na udržanie života a dusík v nich obsiahnutý sa vylučuje z tela močom. Ľudské telo zvyčajne stráca 25–30 g bielkovín za deň, takže bielkovinové potraviny musia byť vždy prítomné v správnom množstve. Minimálna denná potreba bielkovín je pre mužov 37 g a pre ženy 29 g, ale odporúčaný príjem je takmer dvojnásobný. Pri hodnotení potravín je dôležité zvážiť kvalitu bielkovín. Pri absencii alebo nízkom obsahu esenciálnych aminokyselín sa proteín považuje za málo hodnotný, preto by sa takéto proteíny mali konzumovať vo väčších množstvách. Takže bielkoviny strukovín obsahujú málo metionínu a bielkoviny pšenice a kukurice majú nízky obsah lyzínu (obe aminokyseliny sú esenciálne). Živočíšne bielkoviny (okrem kolagénov) sú klasifikované ako kompletné potraviny. Kompletná sada všetkých esenciálnych kyselín obsahuje mliečny kazeín, ale aj tvaroh a syr z neho pripravený, takže vegetariánska strava, ak je veľmi prísna, t.j. „bez mlieka“, vyžaduje zvýšenú konzumáciu strukovín, orechov a húb, aby sa telu dodali esenciálne aminokyseliny v správnom množstve.

Syntetické aminokyseliny a bielkoviny sa tiež používajú ako potravinové produkty a pridávajú ich do krmiva, ktoré obsahuje esenciálne aminokyseliny v malých množstvách. Existujú baktérie, ktoré dokážu spracovať a asimilovať ropné uhľovodíky, v tomto prípade je potrebné na úplnú syntézu bielkovín ich kŕmiť zlúčeninami obsahujúcimi dusík (amoniak alebo dusičnany). Takto získaný proteín sa používa ako krmivo pre hospodárske zvieratá a hydinu. Do krmiva pre zvieratá sa často pridáva súbor enzýmov, karbohydrázy, ktoré katalyzujú hydrolýzu ťažko rozložiteľných sacharidových zložiek potravy (bunkové steny obilnín), v dôsledku čoho sa rastlinná potrava lepšie vstrebáva.

Michail Levický

PROTEÍNY (článok 2)

(bielkoviny), trieda komplexných zlúčenín obsahujúcich dusík, najcharakteristickejšie a najdôležitejšie (spolu s nukleovými kyselinami) zložky živej hmoty. Proteíny plnia mnoho rôznych funkcií. Väčšina proteínov sú enzýmy, ktoré katalyzujú chemické reakcie. Mnohé hormóny, ktoré regulujú fyziologické procesy, sú tiež proteíny. Štrukturálne proteíny ako kolagén a keratín sú hlavnými zložkami kostného tkaniva, vlasov a nechtov. Kontraktilné proteíny svalov majú schopnosť meniť svoju dĺžku pomocou chemickej energie na vykonávanie mechanickej práce. Proteíny sú protilátky, ktoré sa viažu a neutralizujú toxické látky. Niektoré bielkoviny, ktoré môžu reagovať na vonkajšie vplyvy (svetlo, vôňa), slúžia ako receptory v zmyslových orgánoch, ktoré vnímajú podráždenie. Mnohé proteíny umiestnené vo vnútri bunky a na bunkovej membráne vykonávajú regulačné funkcie.

V prvej polovici 19. stor mnohí chemici, medzi nimi predovšetkým J. von Liebig, postupne dospeli k záveru, že proteíny sú špeciálnou triedou dusíkatých zlúčenín. Názov "proteíny" (z gréckeho protos - prvý) navrhol v roku 1840 holandský chemik G. Mulder.

FYZIKÁLNE VLASTNOSTI

Bielkoviny v pevnom stave biela farba a sú bezfarebné v roztoku, pokiaľ nenesú nejakú chromoforovú (farebnú) skupinu, ako je hemoglobín. Rozpustnosť rôznych proteínov vo vode sa veľmi líši. Tiež sa mení s pH a s koncentráciou solí v roztoku, takže je možné zvoliť podmienky, za ktorých sa bude jeden proteín selektívne zrážať v prítomnosti iných proteínov. Táto metóda „vysolenia“ sa široko používa na izoláciu a čistenie proteínov. Purifikovaný proteín sa často vyzráža z roztoku ako kryštály.

V porovnaní s inými zlúčeninami je molekulová hmotnosť proteínov veľmi veľká - od niekoľkých tisíc až po mnoho miliónov daltonov. Preto sa pri ultracentrifugácii proteíny zrážajú a navyše rôznou rýchlosťou. V dôsledku prítomnosti kladne a záporne nabitých skupín v molekulách proteínov sa v elektrickom poli pohybujú rôznymi rýchlosťami. Toto je základ elektroforézy, metódy používanej na izoláciu jednotlivých proteínov z komplexných zmesí. Čistenie proteínov sa tiež uskutočňuje chromatografiou.

CHEMICKÉ VLASTNOSTI

Štruktúra.

Proteíny sú polyméry, t.j. molekuly postavené ako reťazce z opakujúcich sa monomérnych jednotiek alebo podjednotiek, ktorých úlohu zohrávajú alfa-aminokyseliny. Všeobecný vzorec aminokyselín

kde R je atóm vodíka alebo nejaká organická skupina.

Proteínová molekula (polypeptidový reťazec) môže pozostávať len z relatívne malého počtu aminokyselín alebo niekoľkých tisíc monomérnych jednotiek. Spojenie aminokyselín v reťazci je možné, pretože každá z nich má dve rôzne chemické skupiny: zásaditú aminoskupinu NH2 a kyslú karboxylovú skupinu COOH. Obe tieto skupiny sú pripojené k atómu uhlíka. Karboxylová skupina jednej aminokyseliny môže tvoriť amidovú (peptidovú) väzbu s aminoskupinou inej aminokyseliny:

Po spojení dvoch aminokyselín týmto spôsobom môže byť reťazec predĺžený pridaním tretej k druhej aminokyseline atď. Ako je možné vidieť z vyššie uvedenej rovnice, keď sa vytvorí peptidová väzba, uvoľní sa molekula vody. V prítomnosti kyselín, zásad alebo proteolytických enzýmov prebieha reakcia v opačnom smere: polypeptidový reťazec sa za prídavku vody štiepi na aminokyseliny. Táto reakcia sa nazýva hydrolýza. Hydrolýza prebieha spontánne a na spojenie aminokyselín do polypeptidového reťazca je potrebná energia.

Karboxylová skupina a amidová skupina (alebo jej podobná imidová skupina - v prípade prolínovej aminokyseliny) sú prítomné vo všetkých aminokyselinách, zatiaľ čo rozdiely medzi aminokyselinami sú určené povahou tejto skupiny alebo "stranou" reťazec", ktorý je označený vyššie písmenom R. Úlohu vedľajšieho reťazca môže zohrávať jeden atóm vodíka, ako je aminokyselina glycín, a niektoré objemné zoskupenia, ako je histidín a tryptofán. Niektoré bočné reťazce sú chemicky inertné, zatiaľ čo iné sú vysoko reaktívne.

Je možné syntetizovať mnoho tisíc rôznych aminokyselín a v prírode sa vyskytuje mnoho rôznych aminokyselín, ale na syntézu proteínov sa používa iba 20 typov aminokyselín: alanín, arginín, asparagín, kyselina asparágová, valín, histidín, glycín, glutamín, glutámová kyselina, izoleucín, leucín, lyzín, metionín, prolín, serín, tyrozín, treonín, tryptofán, fenylalanín a cysteín (v proteínoch môže byť cysteín prítomný ako dimér - cystín). Pravda, v niektorých proteínoch sú okrem pravidelne sa vyskytujúcej dvadsiatky aj iné aminokyseliny, ktoré však vznikajú modifikáciou ktorejkoľvek z dvadsiatich uvedených po zaradení do proteínu.

optická aktivita.

Všetky aminokyseliny, s výnimkou glycínu, majú štyri rôzne skupiny pripojené k atómu α-uhlíka. Z hľadiska geometrie môžu byť štyri rôzne skupiny pripojené dvoma spôsobmi, a preto existujú dve možné konfigurácie alebo dva izoméry, ktoré sú navzájom spojené ako objekt k svojmu zrkadlovému obrazu, t.j. ako zľava doprava. Jedna konfigurácia sa nazýva ľavostranná alebo ľavotočivá (L) a druhá pravotočivá alebo pravotočivá (D), pretože tieto dva izoméry sa líšia v smere rotácie roviny polarizovaného svetla. V proteínoch sa vyskytujú iba L-aminokyseliny (výnimkou je glycín; môže byť zastúpený iba v jednej forme, pretože dve z jeho štyroch skupín sú rovnaké) a všetky majú optickú aktivitu (pretože existuje iba jeden izomér). D-aminokyseliny sú v prírode zriedkavé; nachádzajú sa v niektorých antibiotikách a bunkovej stene baktérií.

Poradie aminokyselín.

Aminokyseliny v polypeptidovom reťazci nie sú usporiadané náhodne, ale v určitom pevnom poradí a práve toto poradie určuje funkcie a vlastnosti proteínu. Zmenou poradia 20 druhov aminokyselín môžete získať obrovské množstvo rôznych proteínov, rovnako ako si môžete vytvoriť mnoho rôznych textov z písmen abecedy.

V minulosti trvalo určenie aminokyselinovej sekvencie proteínu často niekoľko rokov. Priame určovanie je stále dosť namáhavá úloha, aj keď boli vytvorené zariadenia, ktoré ho umožňujú vykonávať automaticky. Zvyčajne je jednoduchšie určiť nukleotidovú sekvenciu zodpovedajúceho génu a odvodiť z nej aminokyselinovú sekvenciu proteínu. K dnešnému dňu už boli určené aminokyselinové sekvencie mnohých stoviek proteínov. Funkcie dekódovaných proteínov sú zvyčajne známe, čo pomáha predstaviť si možné funkcie podobných proteínov vytvorených napríklad v malígnych novotvaroch.

Komplexné proteíny.

Proteíny pozostávajúce iba z aminokyselín sa nazývajú jednoduché. Často je však k polypeptidovému reťazcu pripojený atóm kovu alebo nejaká chemická zlúčenina, ktorá nie je aminokyselinou. Takéto proteíny sa nazývajú komplexné. Príkladom je hemoglobín: obsahuje porfyrín železa, ktorý mu dodáva červenú farbu a umožňuje mu pôsobiť ako nosič kyslíka.

Názvy najkomplexnejších proteínov obsahujú označenie povahy pripojených skupín: cukry sú prítomné v glykoproteínoch, tuky v lipoproteínoch. Ak katalytická aktivita enzýmu závisí od pripojenej skupiny, potom sa nazýva protetická skupina. Často niektorý vitamín zohráva úlohu protetickej skupiny alebo je jej súčasťou. Napríklad vitamín A pripojený k jednému z proteínov sietnice určuje jeho citlivosť na svetlo.

Terciárna štruktúra.

Dôležitá nie je ani tak sekvencia aminokyselín proteínu (primárna štruktúra), ale spôsob jeho uloženia v priestore. Po celej dĺžke polypeptidového reťazca tvoria vodíkové ióny pravidelné vodíkové väzby, ktoré mu dávajú tvar špirály alebo vrstvy (sekundárna štruktúra). Kombináciou takýchto helixov a vrstiev vzniká kompaktná forma nasledujúceho rádu - terciárna štruktúra proteínu. Okolo väzieb, ktoré držia monomérne články reťazca, sú možné rotácie v malých uhloch. Preto z čisto geometrického hľadiska je počet možných konfigurácií pre akýkoľvek polypeptidový reťazec nekonečne veľký. V skutočnosti každý proteín normálne existuje len v jednej konfigurácii, ktorá je určená jeho aminokyselinovou sekvenciou. Táto štruktúra nie je tuhá, zdá sa, že „dýcha“ – osciluje okolo určitej priemernej konfigurácie. Reťaz je poskladaná do konfigurácie, v ktorej je voľná energia (schopnosť konať prácu) minimálna, rovnako ako uvoľnená pružina je stlačená len do stavu zodpovedajúceho minimu voľnej energie. Jedna časť reťazca je často pevne spojená s druhou disulfidovými (–S–S–) väzbami medzi dvoma cysteínovými zvyškami. To je čiastočne dôvod, prečo cysteín medzi aminokyselinami hrá obzvlášť dôležitú úlohu.

Zložitosť štruktúry proteínov je taká veľká, že zatiaľ nie je možné vypočítať terciárnu štruktúru proteínu, aj keď je známa jeho aminokyselinová sekvencia. Ale ak je možné získať kryštály proteínu, potom sa jeho terciárna štruktúra môže určiť pomocou röntgenovej difrakcie.

V štruktúrnych, kontraktilných a niektorých iných proteínoch sú reťazce predĺžené a niekoľko mierne zložených reťazcov ležiacich vedľa seba tvorí fibrily; fibrily sa zase skladajú do väčších útvarov – vlákien. Väčšina proteínov v roztoku je však guľovitá: reťazce sú zvinuté do guľôčky, ako priadza v klbku. Voľná ​​energia v tejto konfigurácii je minimálna, pretože hydrofóbne („vodu odpudzujúce“) aminokyseliny sú skryté vo vnútri globule, zatiaľ čo hydrofilné („vodu priťahujúce“) aminokyseliny sú na jej povrchu.

Mnohé proteíny sú komplexy niekoľkých polypeptidových reťazcov. Táto štruktúra sa nazýva kvartérna štruktúra proteínu. Molekula hemoglobínu sa napríklad skladá zo štyroch podjednotiek, z ktorých každá je globulárny proteín.

Štrukturálne proteíny vďaka svojej lineárnej konfigurácii tvoria vlákna, v ktorých je pevnosť v ťahu veľmi vysoká, zatiaľ čo globulárna konfigurácia umožňuje proteínom vstupovať do špecifických interakcií s inými zlúčeninami. Na povrchu globule sa pri správnom ukladaní reťazcov objavujú dutiny určitého tvaru, v ktorých sa nachádzajú reaktívne chemické skupiny. Ak je týmto proteínom enzým, potom sa do takejto dutiny dostane iná, zvyčajne menšia, molekula nejakej látky, rovnako ako kľúč do zámku; v tomto prípade sa vplyvom chemických skupín nachádzajúcich sa v dutine mení konfigurácia elektrónového oblaku molekuly a to ju núti reagovať určitým spôsobom. Týmto spôsobom enzým katalyzuje reakciu. Molekuly protilátok majú tiež dutiny, v ktorých sa viažu rôzne cudzie látky, a tým sa stávajú neškodnými. Model „kľúč a zámok“, ktorý vysvetľuje interakciu proteínov s inými zlúčeninami, umožňuje pochopiť špecifickosť enzýmov a protilátok, t.j. ich schopnosť reagovať len s určitými zlúčeninami.

Proteíny v rôznych typoch organizmov.

Podobnú konfiguráciu majú aj proteíny, ktoré plnia rovnakú funkciu v rôznych rastlinných a živočíšnych druhoch, a preto nesú rovnaký názov. Trochu sa však líšia v sekvencii aminokyselín. Keď sa druhy odchyľujú od spoločného predka, niektoré aminokyseliny v určitých polohách sú nahradené mutáciami s inými. Škodlivé mutácie, ktoré spôsobujú dedičné choroby, sú vyradené prirodzený výber, ale užitočné alebo aspoň neutrálne môžu pretrvávať. Čím bližšie sú dva biologické druhy k sebe, tým menšie rozdiely sa nachádzajú v ich proteínoch.

Niektoré proteíny sa menia pomerne rýchlo, iné sú dosť konzervatívne. Medzi posledné patria napríklad cytochróm c, respiračný enzým, ktorý sa nachádza vo väčšine živých organizmov. U ľudí a šimpanzov sú jeho aminokyselinové sekvencie identické, zatiaľ čo v cytochróme c pšenice sa ukázalo, že iba 38 % aminokyselín je odlišných. Aj pri porovnaní ľudí a baktérií je stále vidieť podobnosť cytochrómov s (rozdiely tu postihujú 65% aminokyselín), hoci spoločný predok baktérií a ľudí žil na Zemi asi pred dvoma miliardami rokov. V súčasnosti sa porovnávanie aminokyselinových sekvencií často používa na vytvorenie fylogenetického (genealogického) stromu, ktorý odráža evolučné vzťahy medzi rôznymi organizmami.

Denaturácia.

Syntetizovaná molekula proteínu, skladanie, získava svoju vlastnú konfiguráciu. Táto konfigurácia však môže byť zničená zahrievaním, zmenou pH, pôsobením organických rozpúšťadiel a dokonca jednoduchým miešaním roztoku, kým sa na jeho povrchu neobjavia bubliny. Takto pozmenený proteín sa nazýva denaturovaný; stráca svoju biologickú aktivitu a zvyčajne sa stáva nerozpustným. Známe príklady denaturovaných bielkovín sú varené vajcia alebo šľahačka. Malé bielkoviny, obsahujúce len asi sto aminokyselín, sú schopné renaturácie, t.j. znovu získať pôvodnú konfiguráciu. Ale väčšina proteínov sa jednoducho transformuje na množstvo zamotaných polypeptidových reťazcov a neobnoví svoju predchádzajúcu konfiguráciu.

Jednou z hlavných ťažkostí pri izolácii aktívnych proteínov je ich extrémna citlivosť na denaturáciu. Táto vlastnosť proteínov nachádza užitočné uplatnenie pri konzervácii potravinárskych výrobkov: vysoká teplota nevratne denaturuje enzýmy mikroorganizmov a mikroorganizmy odumierajú.

SYNTÉZY BIELKOVÍN

Pre syntézu bielkovín musí mať živý organizmus systém enzýmov schopných viazať jednu aminokyselinu na druhú. Potrebný je aj zdroj informácií, ktorý by určil, ktoré aminokyseliny by mali byť spojené. Keďže v tele existujú tisíce druhov bielkovín a každý z nich pozostáva v priemere z niekoľkých stoviek aminokyselín, požadované informácie musia byť skutočne obrovské. Je uložený (podobne ako záznam na magnetickej páske) v molekulách nukleových kyselín, ktoré tvoria gény.

Aktivácia enzýmov.

Polypeptidový reťazec syntetizovaný z aminokyselín nie je vždy proteínom vo svojej konečnej forme. Mnohé enzýmy sa najskôr syntetizujú ako neaktívne prekurzory a stanú sa aktívnymi až potom, čo iný enzým odstráni niekoľko aminokyselín z jedného konca reťazca. Niektoré z tráviacich enzýmov, ako je trypsín, sú syntetizované v tejto neaktívnej forme; tieto enzýmy sa aktivujú v tráviacom trakte v dôsledku odstránenia koncového fragmentu reťazca. Hormón inzulín, ktorého molekula v aktívnej forme pozostáva z dvoch krátkych reťazcov, sa syntetizuje vo forme jedného reťazca, tzv. proinzulín. Potom sa odstráni stredná časť tohto reťazca a zvyšné fragmenty sa navzájom viažu a vytvárajú aktívnu molekulu hormónu. Komplexné bielkoviny vznikajú až po naviazaní určitej chemickej skupiny na bielkovinu a toto pripojenie často vyžaduje aj enzým.

Metabolický obeh.

Po kŕmení zvieraťa aminokyselinami označenými rádioaktívnymi izotopmi uhlíka, dusíka alebo vodíka sa značka rýchlo začlení do jeho bielkovín. Ak označené aminokyseliny prestanú vstúpiť do tela, množstvo označenia v proteínoch začne klesať. Tieto experimenty ukazujú, že výsledné bielkoviny sa v tele neukladajú až do konca života. Všetky, až na pár výnimiek, sú v dynamickom stave, neustále sa rozkladajú na aminokyseliny a následne sa znovu syntetizujú.

Niektoré proteíny sa rozkladajú, keď bunky odumierajú a sú zničené. To sa deje neustále, napríklad s červenými krvinkami a epitelovými bunkami, ktoré lemujú vnútorný povrch čreva. Okrem toho v živých bunkách dochádza aj k rozkladu a resyntéze bielkovín. Napodiv, o rozklade bielkovín sa vie menej ako o ich syntéze. Čo je však jasné, na rozklade sa podieľajú proteolytické enzýmy, podobné tým, ktoré v tráviacom trakte rozkladajú bielkoviny na aminokyseliny.

Polčas rozpadu rôznych proteínov je rôzny – od niekoľkých hodín až po mnoho mesiacov. Jedinou výnimkou sú molekuly kolagénu. Po vytvorení zostávajú stabilné a neobnovujú sa ani nevymieňajú. Postupom času sa však niektoré ich vlastnosti, najmä elasticita, menia, a keďže sa neobnovujú, výsledkom sú určité zmeny súvisiace s vekom, ako napríklad vznik vrások na pokožke.

syntetické proteíny.

Chemici sa už dávno naučili polymerizovať aminokyseliny, ale aminokyseliny sa kombinujú náhodne, takže produkty takejto polymerizácie sa len málo podobajú na prírodné. Je pravda, že je možné kombinovať aminokyseliny v danom poradí, čo umožňuje získať niektoré biologicky aktívne bielkoviny, najmä inzulín. Proces je pomerne komplikovaný a týmto spôsobom je možné získať len tie proteíny, ktorých molekuly obsahujú asi sto aminokyselín. Namiesto toho je výhodné syntetizovať alebo izolovať nukleotidovú sekvenciu génu zodpovedajúceho požadovanej aminokyselinovej sekvencii a potom zaviesť tento gén do baktérie, ktorá bude produkovať replikáciou veľké množstvo požadovaného produktu. Táto metóda má však aj svoje nevýhody.

BIELKOVINY A VÝŽIVA

Keď sa bielkoviny v tele rozložia na aminokyseliny, tieto aminokyseliny sa môžu opätovne použiť na syntézu bielkovín. Zároveň samotné aminokyseliny podliehajú rozkladu, takže nie sú plne využité. Je tiež jasné, že počas rastu, tehotenstva a hojenia rán musí syntéza bielkovín prevýšiť degradáciu. Telo neustále stráca niektoré bielkoviny; sú to bielkoviny vlasov, nechtov a povrchovej vrstvy kože. Preto pre syntézu bielkovín musí každý organizmus prijímať aminokyseliny z potravy.

Zdroje aminokyselín.

Zelené rastliny syntetizujú všetkých 20 aminokyselín nachádzajúcich sa v bielkovinách z CO2, vody a amoniaku alebo dusičnanov. Mnohé baktérie sú tiež schopné syntetizovať aminokyseliny v prítomnosti cukru (alebo nejakého ekvivalentu) a fixovaného dusíka, ale cukor je nakoniec dodávaný zelenými rastlinami. U zvierat je schopnosť syntetizovať aminokyseliny obmedzená; aminokyseliny získavajú jedením zelených rastlín alebo iných živočíchov. V tráviacom trakte sa vstrebané bielkoviny rozložia na aminokyseliny, tie sa vstrebú a vybudujú sa z nich bielkoviny charakteristické pre daný organizmus. Žiadna z absorbovaných bielkovín nie je začlenená do telesných štruktúr ako takých. Jedinou výnimkou je, že u mnohých cicavcov môže časť materských protilátok prejsť neporušená cez placentu do fetálneho obehu a materským mliekom (najmä u prežúvavcov) sa preniesť na novorodenca hneď po narodení.

Potreba bielkovín.

Je jasné, že na udržanie života musí telo prijímať určité množstvo bielkovín z potravy. Veľkosť tejto potreby však závisí od množstva faktorov. Telo potrebuje potravu ako zdroj energie (kalórií) aj ako materiál na stavbu svojich štruktúr. Na prvom mieste je potreba energie. To znamená, že keď je v strave málo uhľohydrátov a tukov, bielkoviny z potravy sa nevyužívajú na syntézu vlastných bielkovín, ale ako zdroj kalórií. Pri dlhotrvajúcom pôste sa dokonca aj vaše vlastné bielkoviny míňajú na uspokojenie energetických potrieb. Ak je v strave dostatok sacharidov, potom je možné znížiť príjem bielkovín.

dusíková bilancia.

V priemere cca. 16 % z celkovej hmotnosti bielkovín tvorí dusík. Pri rozklade aminokyselín, ktoré tvoria bielkoviny, sa dusík v nich obsiahnutý vylučuje z tela močom a (v menšej miere) stolicou vo forme rôznych dusíkatých zlúčenín. Preto je vhodné na posúdenie kvality bielkovinovej výživy použiť taký ukazovateľ, akým je dusíková bilancia, t.j. rozdiel (v gramoch) medzi množstvom dusíka prijatého do tela a množstvom dusíka vylúčeného za deň. Pri normálnej výžive u dospelého človeka sú tieto množstvá rovnaké. V rastúcom organizme je množstvo vylúčeného dusíka menšie ako množstvo prichádzajúceho, t.j. bilancia je kladná. Pri nedostatku bielkovín v strave je bilancia negatívna. Ak je v strave dostatok kalórií, no bielkoviny v nej úplne chýbajú, telo bielkovinami šetrí. Zároveň sa spomaľuje metabolizmus bielkovín a reutilizácia aminokyselín pri syntéze bielkovín prebieha čo najefektívnejšie. Straty sú však nevyhnutné a dusíkaté zlúčeniny sa stále vylučujú močom a čiastočne aj stolicou. Množstvo dusíka vylúčeného z tela za deň počas proteínového hladovania môže slúžiť ako miera denného nedostatku bielkovín. Je prirodzené predpokladať, že zavedením množstva bielkovín ekvivalentných tomuto nedostatku do stravy je možné obnoviť dusíkovú rovnováhu. Avšak nie je. Po prijatí tohto množstva bielkovín telo začne využívať aminokyseliny menej efektívne, takže na obnovenie dusíkovej rovnováhy je potrebný ďalší proteín.

Ak množstvo bielkovín v strave presahuje to, čo je potrebné na udržanie dusíkovej rovnováhy, zdá sa, že z toho nie je žiadna škoda. Prebytočné aminokyseliny sa jednoducho využívajú ako zdroj energie. Obzvlášť nápadným príkladom sú Eskimáci, ktorí konzumujú málo sacharidov a asi desaťkrát viac bielkovín, ako je potrebné na udržanie dusíkovej rovnováhy. Vo väčšine prípadov však používanie bielkovín ako zdroja energie nie je prospešné, pretože z daného množstva sacharidov môžete získať oveľa viac kalórií ako z rovnakého množstva bielkovín. V chudobných krajinách prijíma obyvateľstvo potrebné kalórie zo sacharidov a prijíma minimálne množstvo bielkovín.

Ak telo prijíma potrebný počet kalórií vo forme nebielkovinových produktov, tak minimálne množstvo bielkovín, ktoré udrží dusíkovú bilanciu, je cca. 30 g denne. Približne toľko bielkovín obsahujú štyri krajce chleba alebo 0,5 litra mlieka. O niečo väčšie množstvo sa zvyčajne považuje za optimálne; odporúča sa od 50 do 70 g.

Esenciálne aminokyseliny.

Až doteraz sa proteín považoval za celok. Medzitým, aby prebehla syntéza bielkovín, musia byť v tele prítomné všetky potrebné aminokyseliny. Niektoré z aminokyselín je telo zvieraťa schopné samo syntetizovať. Nazývajú sa zameniteľné, keďže nemusia byť prítomné v strave, dôležité je len to, aby vo všeobecnosti postačoval príjem bielkovín ako zdroja dusíka; potom pri nedostatku neesenciálnych aminokyselín ich telo dokáže syntetizovať na úkor tých, ktoré sú prítomné v nadbytku. Zvyšné „esenciálne“ aminokyseliny sa nedajú syntetizovať a musia sa prijímať s jedlom. Pre ľudí sú nevyhnutné valín, leucín, izoleucín, treonín, metionín, fenylalanín, tryptofán, histidín, lyzín a arginín. (Aj keď si arginín dokáže telo syntetizovať, považuje sa za esenciálnu aminokyselinu, pretože novorodenci a rastúce deti ho produkujú v nedostatočnom množstve. Na druhej strane pre ľudí stredný vek Diétny príjem niektorých z týchto aminokyselín môže byť voliteľný.)

Tento zoznam esenciálnych aminokyselín je približne rovnaký u iných stavovcov a dokonca aj u hmyzu. Výživová hodnota bielkovín sa zvyčajne určuje ich podávaním rastúcim potkanom a sledovaním prírastku hmotnosti zvierat.

Nutričná hodnota bielkovín.

Nutričná hodnota proteínu je určená esenciálnou aminokyselinou, ktorá je najviac deficitná. Ilustrujme si to na príklade. Bielkoviny nášho tela obsahujú v priemere cca. 2 % tryptofánu (podľa hmotnosti). Povedzme, že strava obsahuje 10 g bielkovín s obsahom 1% tryptofánu a že je v nej dostatok iných esenciálnych aminokyselín. V našom prípade je 10 g tohto defektného proteínu v podstate ekvivalentných 5 g kompletného proteínu; zvyšných 5 g môže slúžiť len ako zdroj energie. Všimnite si, že keďže aminokyseliny sa v tele prakticky neukladajú a aby prebehla syntéza bielkovín, musia byť prítomné všetky aminokyseliny súčasne, účinok príjmu esenciálnych aminokyselín možno zistiť len vtedy, ak všetky vstúpia do organizmu. telo zároveň.

Priemerné zloženie väčšiny živočíšnych bielkovín je blízke priemernému zloženiu bielkovín v ľudskom tele, takže je nepravdepodobné, že budeme čeliť nedostatku aminokyselín, ak je naša strava bohatá na potraviny ako mäso, vajcia, mlieko a syry. Existujú však bielkoviny, napríklad želatína (produkt denaturácie kolagénu), ktoré obsahujú veľmi málo esenciálnych aminokyselín. Rastlinné bielkoviny, hoci sú v tomto zmysle lepšie ako želatína, sú tiež chudobné na esenciálne aminokyseliny; najmä málo v nich lyzín a tryptofán. Čisto vegetariánska strava však v žiadnom prípade nie je nezdravá, pokiaľ nekonzumuje o niečo väčšie množstvo rastlinných bielkovín, postačujúcich na to, aby telu dodali esenciálne aminokyseliny. Najviac bielkovín sa nachádza v rastlinách v semenách, najmä v semenách pšenice a rôznych strukovín. Mladé výhonky, napríklad špargľa, sú tiež bohaté na bielkoviny.

Syntetické bielkoviny v strave.

Pridaním malého množstva syntetických esenciálnych aminokyselín alebo bielkovín na ne bohatých k neplnohodnotným bielkovinám, ako sú kukuričné ​​bielkoviny, možno výrazne zvýšiť ich nutričnú hodnotu, t.j. čím sa zvyšuje množstvo spotrebovaných bielkovín. Ďalšou možnosťou je pestovanie baktérií alebo kvasiniek na ropných uhľovodíkoch s prídavkom dusičnanov alebo amoniaku ako zdroja dusíka. Takto získaná mikrobiálna bielkovina môže slúžiť ako krmivo pre hydinu alebo hospodárske zvieratá, alebo ju môžu ľudia priamo konzumovať. Tretia, široko používaná metóda využíva fyziológiu prežúvavcov. U prežúvavcov sa v počiatočnom úseku žalúdka, tzv. V bachore sa nachádzajú špeciálne formy baktérií a prvokov, ktoré premieňajú defektné rastlinné bielkoviny na kompletnejšie mikrobiálne bielkoviny a tie sa po strávení a vstrebaní zase menia na živočíšne bielkoviny. Močovina, lacná syntetická zlúčenina obsahujúca dusík, sa môže pridávať do krmiva pre hospodárske zvieratá. Mikroorganizmy žijúce v bachore využívajú močovinový dusík na premenu sacharidov (ktorých je v krmive oveľa viac) na bielkoviny. Asi tretina všetkého dusíka v krmive pre hospodárske zvieratá môže pochádzať vo forme močoviny, čo v podstate znamená do určitej miery chemickú syntézu bielkovín.

Obsah článku

PROTEÍNY (článok 1)- trieda biologických polymérov prítomných v každom živom organizme. Za účasti bielkovín prebiehajú hlavné procesy, ktoré zabezpečujú životne dôležitú činnosť tela: dýchanie, trávenie, svalová kontrakcia, prenos nervových impulzov. Kostné tkanivo, koža, vlasy, rohové útvary živých bytostí sú zložené z bielkovín. U väčšiny cicavcov dochádza k rastu a vývoju organizmu vďaka produktom obsahujúcim bielkoviny ako zložku potravy. Úloha bielkovín v tele a teda aj ich štruktúra je veľmi rôznorodá.

Zloženie bielkovín.

Všetky proteíny sú polyméry, ktorých reťazce sú zostavené z fragmentov aminokyselín. Aminokyseliny sú organické zlúčeniny obsahujúce vo svojom zložení (v súlade s názvom) aminoskupinu NH 2 a organickú kyselinu, t.j. karboxylová skupina, skupina COOH. Z celej škály existujúcich aminokyselín (teoreticky je počet možných aminokyselín neobmedzený) sa na tvorbe proteínov podieľajú len tie, ktoré majú medzi aminoskupinou a karboxylovou skupinou iba jeden atóm uhlíka. Vo všeobecnosti možno aminokyseliny podieľajúce sa na tvorbe bielkovín znázorniť vzorcom: H2N–CH(R)–COOH. Skupina R pripojená k atómu uhlíka (tá medzi aminoskupinou a karboxylovou skupinou) určuje rozdiel medzi aminokyselinami, ktoré tvoria proteíny. Táto skupina môže pozostávať len z atómov uhlíka a vodíka, ale častejšie obsahuje okrem C a H rôzne funkčné (schopné ďalšej transformácie) skupiny, napr. HO-, H 2 N- atď. možnosť, keď R \u003d H.

Organizmy živých bytostí obsahujú viac ako 100 rôznych aminokyselín, avšak nie všetky sa používajú pri stavbe bielkovín, ale iba 20, takzvaných "základných". V tabuľke. 1 sú uvedené ich názvy (väčšina názvov sa vyvinula historicky), štruktúrny vzorec, ako aj široko používaná skratka. Všetky štruktúrne vzorce sú v tabuľke usporiadané tak, že hlavný fragment aminokyseliny je vpravo.

Tabuľka 1. AMINOKYSELINY PODIEĽAJÚCE SA NA TVORBE PROTEÍNOV

názov	Štruktúra	Označenie
GLYCINE		GLI
ALANIN		ALA
VALIN		ŠACHTA
LEUCINE		LEI
IZOLEUCÍN		ILE
SERIN		SER
THREONINE		TRE
CYSTEINE		CIS
METIONINE		MET
LYSINE		LIZ
ARGINÍN		ARG
KYSELINA ASPARAGOVÁ		ACH
ASPARAGIN		ACH
KYSELINA GLUTÁMOVÁ		GLU
GLUTAMÍN		GLN
fenylalanín		fén
TYROZÍN		TIR
tryptofán		TRI
HISTIDINE		GIS
PROLINE		PRO
V medzinárodnej praxi je akceptované skrátené označenie uvedených aminokyselín pomocou latinských trojpísmenových alebo jednopísmenových skratiek, napríklad glycín - Gly alebo G, alanín - Ala alebo A.

Z týchto dvadsiatich aminokyselín (tabuľka 1) obsahuje iba prolín vedľa karboxylovej skupiny COOH skupinu NH (namiesto NH2), pretože je súčasťou cyklického fragmentu.

Osem aminokyselín (valín, leucín, izoleucín, treonín, metionín, lyzín, fenylalanín a tryptofán) umiestnených v tabuľke na sivom pozadí sa nazýva esenciálne, pretože telo ich musí neustále prijímať s bielkovinovou potravou pre normálny rast a vývoj.

V dôsledku postupného spájania aminokyselín vzniká molekula proteínu, zatiaľ čo karboxylová skupina jednej kyseliny interaguje s aminoskupinou susednej molekuly, čím vzniká peptidová väzba –CO–NH– a voda. molekula sa uvoľní. Na obr. 1 je znázornené sériové spojenie alanínu, valínu a glycínu.

Ryža. jeden SÉRIOVÉ ZAPOJENIE AMINOKYSELÍN pri tvorbe molekuly proteínu. Cesta od koncovej aminoskupiny H2N ku koncovej karboxylovej skupine COOH bola zvolená ako hlavný smer polymérneho reťazca.

Na kompaktný opis štruktúry molekuly proteínu sa používajú skratky pre aminokyseliny (Tabuľka 1, tretí stĺpec), ktoré sa podieľajú na tvorbe polymérneho reťazca. Fragment molekuly znázornený na obr. 1 je napísaný takto: H2N-ALA-VAL-GLY-COOH.

Proteínové molekuly obsahujú od 50 do 1500 aminokyselinových zvyškov (kratšie reťazce sa nazývajú polypeptidy). Individualita proteínu je určená súborom aminokyselín, ktoré tvoria polymérny reťazec, a nemenej dôležitým poradím ich striedania pozdĺž reťazca. Napríklad molekula inzulínu pozostáva z 51 aminokyselinových zvyškov (je to jeden z najkratších reťazcov proteínov) a pozostáva z dvoch vzájomne prepojených paralelných reťazcov nerovnakej dĺžky. Sekvencia fragmentov aminokyselín je znázornená na obr. 2.

Ryža. 2 MOLEKULA INZULÍNU, zostavené z 51 aminokyselinových zvyškov, fragmenty rovnakých aminokyselín sú označené zodpovedajúcou farbou pozadia. Cysteínové aminokyselinové zvyšky (skrátené označenie CIS) obsiahnuté v reťazci tvoria disulfidové mostíky -S-S-, ktoré spájajú dve molekuly polyméru, alebo tvoria prepojky v rámci jedného reťazca.

Molekuly aminokyseliny cysteín (tabuľka 1) obsahujú reaktívne sulfhydridové skupiny -SH, ktoré navzájom interagujú a vytvárajú disulfidové mostíky -S-S-. Úloha cysteínu vo svete proteínov je špeciálna, s jeho účasťou sa vytvárajú krížové väzby medzi molekulami polymérnych proteínov.

Kombinácia aminokyselín do polymérneho reťazca sa vyskytuje v živom organizme pod kontrolou nukleových kyselín, sú to tie, ktoré poskytujú prísne poradie zostavovania a regulujú pevnú dĺžku molekuly polyméru ( cm. NUKLEOVÉ KYSELINY).

Štruktúra bielkovín.

Zloženie molekuly proteínu, prezentované vo forme striedajúcich sa aminokyselinových zvyškov (obr. 2), sa nazýva primárna štruktúra proteínu. Vodíkové väzby vznikajú medzi iminoskupinami HN prítomnými v polymérnom reťazci a karbonylovými skupinami CO ( cm. VODÍKOVÁ VÄZBA), v dôsledku toho molekula proteínu získa určitý priestorový tvar, ktorý sa nazýva sekundárna štruktúra. Najbežnejšie sú dva typy sekundárnej štruktúry v proteínoch.

Prvá možnosť, nazývaná α-helix, je implementovaná pomocou vodíkových väzieb v rámci jednej molekuly polyméru. Geometrické parametre molekuly, určené dĺžkami väzieb a väzbovými uhlami, sú také, že tvorba vodíkových väzieb je možná pre skupiny H-N a C=O, medzi ktorými sú dva peptidové fragmenty H-N-C=O (obr. 3) .

Zloženie polypeptidového reťazca znázorneného na obr. 3 sa píše v skrátenej forme takto:

H 2 N-ALA VAL-ALA-LEY-ALA-ALA-ALA-ALA-VAL-ALA-ALA-ALA-COOH.

V dôsledku kontrakčného pôsobenia vodíkových väzieb získava molekula tvar špirály - tzv. α-helix, je znázornená ako zakrivená špirálová stuha prechádzajúca cez atómy tvoriace polymérny reťazec (obr. 4)

Ryža. štyri 3D MODEL MOLEKULY PROTEÍNU vo forme a-helixu. Vodíkové väzby sú znázornené zelenými bodkovanými čiarami. Valcový tvar špirály je viditeľný pri určitom uhle natočenia (na obrázku nie sú znázornené atómy vodíka). Farba jednotlivých atómov je daná v súlade s medzinárodnými pravidlami, ktoré odporúčajú čiernu pre atómy uhlíka, modrú pre dusík, červenú pre kyslík a žltú pre síru (biela farba sa odporúča pre atómy vodíka neznázornené na obrázku, v tomto prípade celá štruktúra zobrazená na tmavom pozadí).

Ďalší variant sekundárnej štruktúry, nazývaný β-štruktúra, vzniká tiež za účasti vodíkových väzieb, rozdiel je v tom, že H-N a C=O skupiny dvoch alebo viacerých paralelne umiestnených polymérnych reťazcov interagujú. Keďže polypeptidový reťazec má smer (obr. 1), sú možné varianty, keď je smer reťazcov rovnaký (paralelná β-štruktúra, obr. 5), alebo sú opačné (antiparalelná β-štruktúra, obr. 6) .

Na tvorbe β-štruktúry sa môžu podieľať polymérne reťazce rôzneho zloženia, pričom organické skupiny rámujúce polymérny reťazec (Ph, CH 2 OH a pod.) hrajú vo väčšine prípadov sekundárnu úlohu, vzájomné usporiadanie H-N a C =O skupín je rozhodujúce. Pretože skupiny H-N a C=O sú nasmerované v rôznych smeroch vzhľadom na polymérny reťazec (na obrázku hore a dole), je možná súčasná interakcia troch alebo viacerých reťazcov.

Zloženie prvého polypeptidového reťazca na obr. 5:

H2N-LEI-ALA-FEN-GLI-ALA-ALA-COOH

Zloženie druhého a tretieho reťazca:

H2N-GLY-ALA-SER-GLY-TRE-ALA-COOH

Zloženie polypeptidových reťazcov znázornených na obr. 6, rovnako ako na obr. 5, rozdiel je v tom, že druhá reťaz má opačný (v porovnaní s obr. 5) smer.

Vo vnútri jednej molekuly je možné vytvoriť β-štruktúru, keď sa ukáže, že fragment reťazca v určitom úseku je otočený o 180 °, v tomto prípade majú dve vetvy jednej molekuly opačný smer, výsledkom čoho je antiparalelná vzniká β-štruktúra (obr. 7).

Štruktúra znázornená na obr. 7 na plochom obrázku, znázornenom na obr. 8 vo forme trojrozmerného modelu. Úseky β-štruktúry sú zvyčajne zjednodušene označené plochým vlnitým pásikom, ktorý prechádza cez atómy tvoriace polymérny reťazec.

V štruktúre mnohých proteínov sa striedajú úseky α-helixu a pásikovité β-štruktúry, ako aj jednotlivé polypeptidové reťazce. Ich vzájomné usporiadanie a striedanie v polymérnom reťazci sa nazýva terciárna štruktúra proteínu.

Spôsoby znázornenia štruktúry proteínov sú uvedené nižšie s použitím rastlinného proteínového krambinu ako príkladu. Štruktúrne vzorce proteínov, ktoré často obsahujú až stovky fragmentov aminokyselín, sú zložité, ťažkopádne a ťažko pochopiteľné, preto sa niekedy používajú zjednodušené štruktúrne vzorce - bez symbolov chemických prvkov (obr. 9, možnosť A), ale zároveň čas si zachovávajú farbu valenčných ťahov v súlade s medzinárodnými pravidlami (obr. 4). V tomto prípade je vzorec prezentovaný nie v plochom, ale v priestorovom obrázku, ktorý zodpovedá skutočnej štruktúre molekuly. Táto metóda umožňuje napríklad rozlíšiť disulfidové mostíky (podobné ako v inzulíne, obr. 2), fenylové skupiny v bočnom rámci reťazca a pod.. Obraz molekúl vo forme trojrozmerných modelov (guličky spojené tyčami) je o niečo prehľadnejšia (obr. 9, možnosť B). Obidve metódy však neumožňujú zobraziť terciárnu štruktúru, preto americká biofyzika Jane Richardson navrhla znázorniť α-štruktúry ako špirálovo stočené stuhy (pozri obr. 4), β-štruktúry ako ploché vlnité stuhy (obr. 8) a spojovacie sú to jednoduché reťazce - vo forme tenkých zväzkov, každý typ štruktúry má svoju vlastnú farbu. Tento spôsob zobrazenia terciárnej štruktúry proteínu je v súčasnosti široko používaný (obr. 9, variant B). Niekedy sa pre väčší informačný obsah zobrazuje terciárna štruktúra a zjednodušený štruktúrny vzorec spolu (obr. 9, variant D). Existujú aj modifikácie metódy navrhnutej Richardsonom: α-helixy sú znázornené ako valce a β-štruktúry sú vo forme plochých šípok označujúcich smer reťazca (obr. 9, možnosť E). Menej častý je spôsob, pri ktorom je celá molekula znázornená ako zväzok, kde sú nerovnaké štruktúry odlíšené rôznymi farbami a disulfidové mostíky sú znázornené ako žlté mostíky (obr. 9, variant E).

Možnosť B je najvhodnejšia na vnímanie, keď pri zobrazení terciárnej štruktúry nie sú uvedené štrukturálne vlastnosti proteínu (fragmenty aminokyselín, poradie ich striedania, vodíkové väzby), pričom sa predpokladá, že všetky proteíny obsahujú „podrobnosti“ prevzaté zo štandardnej sady dvadsiatich aminokyselín (tabuľka 1). Hlavnou úlohou pri zobrazení terciárnej štruktúry je ukázať priestorové usporiadanie a striedanie sekundárnych štruktúr.

Ryža. 9 RÔZNE VERZIE OBRÁZKU ŠTRUKTÚRY CRUMBIN PROTEIN.
A je štruktúrny vzorec v priestorovom obrázku.
B - štruktúra vo forme trojrozmerného modelu.
B je terciárna štruktúra molekuly.
G - kombinácia možností A a B.
E - zjednodušený obraz terciárnej štruktúry.
E - terciárna štruktúra s disulfidovými mostíkmi.

Najvhodnejšia na vnímanie je trojrozmerná terciárna štruktúra (možnosť B), oslobodená od detailov štruktúrneho vzorca.

Proteínová molekula, ktorá má terciárnu štruktúru, spravidla nadobúda určitú konfiguráciu, ktorá je tvorená polárnymi (elektrostatickými) interakciami a vodíkovými väzbami. Výsledkom je, že molekula má formu kompaktnej špirály - globulárne proteíny (globuly, lat. guľôčka), alebo vláknité - fibrilárne proteíny (fibra, lat. vlákno).

Príkladom globulárnej štruktúry je proteín albumín, proteín kuracieho vajca patrí do triedy albumínov. Polymérny reťazec albumínu sa skladá hlavne z alanínu, kyseliny asparágovej, glycínu a cysteínu, ktoré sa striedajú v určitom poradí. Terciárna štruktúra obsahuje α-helixy spojené jednoduchými reťazcami (obr. 10).

Ryža. desať GLOBULÁRNA ŠTRUKTÚRA ALBUMINU

Príkladom fibrilárnej štruktúry je fibroínový proteín. Obsahujú veľké množstvo glycínových, alanínových a serínových zvyškov (každý druhý aminokyselinový zvyšok je glycín); cysteínové zvyšky obsahujúce sulfhydridové skupiny chýbajú. Fibroín, hlavná zložka prírodného hodvábu a pavučín, obsahuje β-štruktúry spojené jednoduchými reťazcami (obr. 11).

Ryža. jedenásť FIBRILÁRNE PROTEÍNOVÉ VLÁKNA

Možnosť vytvorenia terciárnej štruktúry určitého typu je vlastná primárnej štruktúre proteínu, t.j. vopred určené poradím striedania aminokyselinových zvyškov. Z určitých súborov takýchto zvyškov vznikajú prevažne α-helixy (takýchto súborov je pomerne veľa), ďalší súbor vedie k vzniku β-štruktúr, jednotlivé reťazce sú charakteristické svojim zložením.

Niektoré proteínové molekuly, pričom si zachovávajú terciárnu štruktúru, sa dokážu spájať do veľkých supramolekulových agregátov, pričom ich držia pohromade polárne interakcie, ako aj vodíkové väzby. Takéto formácie sa nazývajú kvartérna štruktúra proteínu. Napríklad proteín feritín, ktorý pozostáva hlavne z leucínu, kyseliny glutámovej, kyseliny asparágovej a histidínu (fericín obsahuje všetkých 20 aminokyselinových zvyškov v rôznych množstvách), tvorí terciárnu štruktúru štyroch paralelne uložených α-helixov. Keď sa molekuly spoja do jedného celku (obr. 12), vytvorí sa kvartérna štruktúra, ktorá môže obsahovať až 24 molekúl feritínu.

Obr.12 TVORBA KVTERNÁRNEJ ŠTRUKTÚRY GLOBÁLNEHO PROTEÍNU FERITÍNU

Ďalším príkladom supramolekulárnych útvarov je štruktúra kolagénu. Je to fibrilárny proteín, ktorého reťazce sú postavené hlavne z glycínu striedajúceho sa s prolínom a lyzínom. Štruktúra obsahuje jednoduché reťazce, trojité α-helixy, striedajúce sa s pásikovitými β-štruktúrami naukladanými v paralelných zväzkoch (obr. 13).

Obr.13 SUPRAMOLEKULÁRNA ŠTRUKTÚRA KOLAGÉNOVÉHO FIBRILÁRNEHO PROTEÍNU

Chemické vlastnosti bielkovín.

Pôsobením organických rozpúšťadiel, odpadových produktov niektorých baktérií (mliečna fermentácia) alebo zvýšením teploty dochádza k deštrukcii sekundárnych a terciárnych štruktúr bez poškodenia primárnej štruktúry, v dôsledku čoho proteín stráca rozpustnosť a stráca biologickú aktivitu. proces sa nazýva denaturácia, to znamená strata prirodzených vlastností, napríklad zrážanie kyslého mlieka, koagulovaného proteínu z uvareného kuracieho vajca. Pri zvýšených teplotách sa bielkoviny živých organizmov (najmä mikroorganizmov) rýchlo denaturujú. Takéto bielkoviny nie sú schopné podieľať sa na biologických procesoch, v dôsledku čoho mikroorganizmy odumierajú, takže varené (alebo pasterizované) mlieko sa môže skladovať dlhšie.

Peptidové väzby H-N-C=O, ktoré tvoria polymérny reťazec molekuly proteínu, sa v prítomnosti kyselín alebo zásad hydrolyzujú a polymérny reťazec sa preruší, čo môže v konečnom dôsledku viesť k pôvodným aminokyselinám. Peptidové väzby obsiahnuté v α-helixoch alebo β-štruktúrach sú odolnejšie voči hydrolýze a rôznym chemickým útokom (v porovnaní s rovnakými väzbami v jednoduchých reťazcoch). Jemnejšie rozloženie molekuly proteínu na jednotlivé aminokyseliny sa uskutočňuje v bezvodom médiu pomocou hydrazínu H 2 N–NH 2, pričom všetky fragmenty aminokyselín, okrem posledného, ​​tvoria takzvané hydrazidy karboxylových kyselín obsahujúce fragment C (O)–HN–NH 2 (obr. 14).

Ryža. štrnásť. ŠTEPENIE POLYPEPTIDOV

Takáto analýza môže poskytnúť informácie o zložení aminokyselín proteínu, ale dôležitejšie je poznať ich sekvenciu v molekule proteínu. Jednou z metód široko používaných na tento účel je pôsobenie fenylizotiokyanátu (FITC) na polypeptidový reťazec, ktorý sa v alkalickom prostredí naviaže na polypeptid (od konca, ktorý obsahuje aminoskupinu), a keď sa zmení reakcia média na kyslé, oddeľuje sa od reťazca, pričom si so sebou berie fragment jednej aminokyseliny (obr. 15).

Ryža. pätnásť SEKVENČNÉ štiepenie POLYPEPTIDOV

Na takúto analýzu bolo vyvinutých mnoho špeciálnych metód, vrátane tých, ktoré začínajú „rozkladať“ molekulu proteínu na jej zložky, počnúc od karboxylového konca.

Krížové disulfidové mostíky S-S (vzniknuté interakciou cysteínových zvyškov, obr. 2 a 9) sa štiepia a pôsobením rôznych redukčných činidiel sa menia na HS-skupiny. Pôsobením oxidačných činidiel (kyslík alebo peroxid vodíka) dochádza opäť k tvorbe disulfidových mostíkov (obr. 16).

Ryža. 16. Štiepenie disulfidových mostíkov

Na vytvorenie ďalších krížových väzieb v proteínoch sa využíva reaktivita amino a karboxylových skupín. Prístupnejšie pre rôzne interakcie sú aminoskupiny, ktoré sú v bočnom rámci reťazca – fragmenty lyzínu, asparagínu, lyzínu, prolínu (tabuľka 1). Pri interakcii takýchto aminoskupín s formaldehydom dochádza ku kondenzácii a vznikajú krížové mostíky –NH–CH2–NH– (obr. 17).

Ryža. 17 VYTVORENIE DODATOČNÝCH PRIECHOVÝCH MOSTÍKOV MEDZI MOLEKULAMI PROTEÍNOV.

Koncové karboxylové skupiny proteínu sú schopné reagovať s komplexnými zlúčeninami niektorých viacmocných kovov (častejšie sa používajú zlúčeniny chrómu), dochádza aj k zosieťovaniu. Oba procesy sa používajú pri činení koží.

Úloha bielkovín v tele.

Úloha bielkovín v tele je rôznorodá.

Enzýmy(kvasenie lat. - fermentácia), ich iný názov je enzýmy (en zumh grécky. - v kvasinkách) - sú to proteíny s katalytickou aktivitou, sú schopné tisíckrát zvýšiť rýchlosť biochemických procesov. Pôsobením enzýmov sa základné zložky potravy: bielkoviny, tuky a uhľohydráty rozkladajú na jednoduchšie zlúčeniny, z ktorých sa potom syntetizujú nové makromolekuly, ktoré sú potrebné pre určitý typ tela. Enzýmy sa zúčastňujú aj mnohých biochemických procesov syntézy, napríklad syntézy bielkovín (niektoré bielkoviny pomáhajú syntetizovať iné). Cm. ENZÝMY

Enzýmy sú nielen vysoko účinné katalyzátory, ale aj selektívne (riadia reakciu striktne daným smerom). V ich prítomnosti prebieha reakcia s takmer 100% výťažkom bez tvorby vedľajších produktov a zároveň sú podmienky prúdenia mierne: normálny atmosférický tlak a teplota živého organizmu. Pre porovnanie, syntéza amoniaku z vodíka a dusíka v prítomnosti aktivovaného železného katalyzátora sa uskutočňuje pri 400–500 °C a tlaku 30 MPa, výťažok amoniaku je 15–25 % na cyklus. Enzýmy sa považujú za neprekonateľné katalyzátory.

Intenzívne štúdium enzýmov začalo v polovici 19. storočia, v súčasnosti je študovaných viac ako 2000 rôznych enzýmov, čo je najrozmanitejšia trieda proteínov.

Názvy enzýmov sú nasledovné: názov činidla, s ktorým enzým interaguje, alebo názov katalyzovanej reakcie sa pridáva s koncovkou -aza, napríklad argináza rozkladá arginín (tabuľka 1), dekarboxyláza katalyzuje dekarboxyláciu, t.j. eliminácia C02 z karboxylovej skupiny:

– COOH → – CH + CO 2

Na presnejšie označenie úlohy enzýmu je často v jeho názve uvedený predmet aj typ reakcie, napríklad alkoholdehydrogenáza je enzým, ktorý dehydrogenuje alkoholy.

Pre niektoré enzýmy objavené pomerne dávno sa zachoval historický názov (bez koncovky -aza), napríklad pepsín (pepsis, grécky. trávenie) a trypsín (trypsa grécky. skvapalnenie), tieto enzýmy rozkladajú proteíny.

Pre systematizáciu sú enzýmy spojené do veľkých tried, klasifikácia je založená na type reakcie, triedy sú pomenované podľa všeobecného princípu - názov reakcie a koncovka - aza. Niektoré z týchto tried sú uvedené nižšie.

Oxidoreduktáza sú enzýmy, ktoré katalyzujú redoxné reakcie. Dehydrogenázy zahrnuté v tejto triede vykonávajú prenos protónov, napríklad alkoholdehydrogenáza (ADH) oxiduje alkoholy na aldehydy, následná oxidácia aldehydov na karboxylové kyseliny je katalyzovaná aldehyddehydrogenázami (ALDH). Oba procesy prebiehajú v organizme pri spracovaní etanolu na kyselinu octovú (obr. 18).

Ryža. osemnásť DVOJSTUPŇOVÁ OXIDÁCIA ETANOLU na kyselinu octovú

Narkoticky nepôsobí etanol, ale medziprodukt acetaldehyd, čím nižšia je aktivita enzýmu ALDH, tým pomalšie prechádza druhý stupeň - oxidácia acetaldehydu na kyselinu octovú a čím dlhší a silnejší je opojný účinok z požitia. etanolu. Analýza ukázala, že viac ako 80 % predstaviteľov žltej rasy má relatívne nízku aktivitu ALDH a teda výrazne horšiu toleranciu alkoholu. Dôvodom tejto prirodzenej zníženej aktivity ALDH je, že časť zvyškov kyseliny glutámovej v „oslabenej“ molekule ALDH je nahradená fragmentmi lyzínu (tabuľka 1).

transferázy- enzýmy, ktoré katalyzujú prenos funkčných skupín, napríklad transimináza katalyzuje prenos aminoskupiny.

Hydrolázy sú enzýmy, ktoré katalyzujú hydrolýzu. Vyššie uvedené trypsín a pepsín hydrolyzujú peptidové väzby a lipázy štiepia esterovú väzbu v tukoch:

–RC(O)OR1 + H20 → –RC(O)OH + HOR1

Liase- enzýmy, ktoré katalyzujú reakcie prebiehajúce nehydrolytickým spôsobom, v dôsledku takýchto reakcií dochádza k rozpadu väzieb C-C, C-O, C-N a vzniku nových väzieb. Do tejto triedy patrí enzým dekarboxyláza

izomerázy- enzýmy, ktoré katalyzujú izomerizáciu, napríklad premenu kyseliny maleínovej na kyselinu fumarovú (obr. 19), toto je príklad cis-trans izomerizácie (pozri ISOMERIA).

Ryža. 19. IZOMERIZÁCIA KYSELINY MALEJ do kyseliny fumarovej v prítomnosti enzýmu.

Pri práci enzýmov sa dodržiava všeobecný princíp, podľa ktorého medzi enzýmom a činidlom zrýchlenej reakcie vždy existuje štrukturálna zhoda. Podľa obrazného vyjadrenia jedného zo zakladateľov doktríny enzýmov E. Fishera pristupuje činidlo k enzýmu ako kľúč od zámku. V tomto ohľade každý enzým katalyzuje určitú chemickú reakciu alebo skupinu reakcií rovnakého typu. Niekedy môže enzým pôsobiť na jednu zlúčeninu, ako je ureáza (urón grécky. - moč) katalyzuje iba hydrolýzu močoviny:

(H2N)2C \u003d O + H2O \u003d CO2 + 2NH3

Najjemnejšiu selektivitu vykazujú enzýmy, ktoré rozlišujú opticky aktívne antipódy – ľavo- a pravotočivé izoméry. L-argináza pôsobí iba na ľavotočivý arginín a neovplyvňuje pravotočivý izomér. L-laktátdehydrogenáza pôsobí len na ľavotočivé estery kyseliny mliečnej, tzv. laktáty (laktis lat. mlieko), zatiaľ čo D-laktátdehydrogenáza rozkladá iba D-laktáty.

Väčšina enzýmov nepôsobí na jednu, ale na skupinu príbuzných zlúčenín, napríklad trypsín „uprednostňuje“ štiepenie peptidových väzieb tvorených lyzínom a arginínom (tabuľka 1.)

Katalytické vlastnosti niektorých enzýmov, ako sú hydrolázy, sú určené výlučne štruktúrou samotnej proteínovej molekuly, iná trieda enzýmov - oxidoreduktázy (napríklad alkoholdehydrogenáza) môže byť aktívna len v prítomnosti neproteínových molekúl spojených s nimi - vitamíny, ktoré aktivujú Mg, Ca, Zn, Mn a fragmenty nukleových kyselín (obr. 20).

Ryža. dvadsať MOLEKULA DEHYDROGENÁZY ALKOHOLDU

Transportné proteíny viažu a transportujú rôzne molekuly alebo ióny cez bunkové membrány (vo vnútri aj mimo bunky), ako aj z jedného orgánu do druhého.

Napríklad hemoglobín pri prechode krvi cez pľúca viaže kyslík a dodáva ho do rôznych telesných tkanív, kde sa kyslík uvoľňuje a následne využíva na oxidáciu zložiek potravy, pričom tento proces slúži ako zdroj energie (niekedy sa používa termín „spaľovanie“ potravy v používa sa telo).

Okrem proteínovej časti obsahuje hemoglobín komplexnú zlúčeninu železa s molekulou cyklického porfyrínu (porfyros grécky. - fialová), ktorá určuje červenú farbu krvi. Práve tento komplex (obr. 21 vľavo) zohráva úlohu nosiča kyslíka. V hemoglobíne sa komplex porfyrínu železa nachádza vo vnútri molekuly proteínu a je zadržiavaný polárnymi interakciami, ako aj koordinačnou väzbou s dusíkom v histidíne (tabuľka 1), ktorý je súčasťou proteínu. Molekula O2, ktorá je prenášaná hemoglobínom, je pripojená koordinačnou väzbou k atómu železa z opačnej strany, ku ktorej je pripojený histidín (obr. 21 vpravo).

Ryža. 21 ŠTRUKTÚRA KOMPLEXU ŽELEZA

Štruktúra komplexu je zobrazená vpravo vo forme trojrozmerného modelu. Komplex je držaný v molekule proteínu koordinačnou väzbou (prerušovaná modrá čiara) medzi atómom Fe a atómom N v histidíne, ktorý je súčasťou proteínu. Molekula O 2, ktorá je prenášaná hemoglobínom, je koordinovaná (červená bodkovaná čiara) k atómu Fe z opačnej krajiny planárneho komplexu.

Hemoglobín je jedným z najviac študovaných proteínov, pozostáva z a-helixov spojených jednoduchými reťazcami a obsahuje štyri komplexy železa. Hemoglobín je teda ako objemný balík na prenos štyroch molekúl kyslíka naraz. Forma hemoglobínu zodpovedá globulárnym proteínom (obr. 22).

Ryža. 22 GLOBULÁRNA FORMA HEMOGLOBÍNU

Hlavnou „výhodou“ hemoglobínu je, že pridávanie kyslíka a jeho následné odštiepenie pri prenose do rôznych tkanív a orgánov prebieha rýchlo. Oxid uhoľnatý, CO (oxid uhoľnatý), sa ešte rýchlejšie viaže na Fe v hemoglobíne, ale na rozdiel od O 2 tvorí komplex, ktorý sa ťažko rozkladá. Výsledkom je, že takýto hemoglobín nie je schopný viazať O 2, čo vedie (pri vdýchnutí veľkého množstva oxidu uhoľnatého) k smrti tela udusením.

Druhou funkciou hemoglobínu je prenos vydychovaného CO 2, nie však atóm železa, ale H 2 N-skupiny proteínu sa podieľa na procese dočasnej väzby oxidu uhličitého.

„Výkon“ proteínov závisí od ich štruktúry, napríklad nahradenie jediného aminokyselinového zvyšku kyseliny glutámovej v polypeptidovom reťazci hemoglobínu valínovým zvyškom (zriedkavo pozorovaná vrodená anomália) vedie k ochoreniu nazývanému kosáčikovitá anémia.

Existujú tiež transportné proteíny, ktoré dokážu viazať tuky, glukózu, aminokyseliny a prenášať ich vnútri aj mimo buniek.

Transportné proteíny špeciálneho typu neprenášajú látky samotné, ale pôsobia ako „regulátor transportu“, pričom určité látky prechádzajú cez membránu (vonkajšiu stenu bunky). Takéto proteíny sa často nazývajú membránové proteíny. Majú tvar dutého valca a tým, že sú zapustené do steny membrány, zabezpečujú pohyb niektorých polárnych molekúl alebo iónov do bunky. Príkladom membránového proteínu je porín (obr. 23).

Ryža. 23 PORINOVÝ PROTEÍN

Potravinové a zásobné bielkoviny, ako už názov napovedá, slúžia ako zdroje vnútornej výživy, častejšie pre embryá rastlín a živočíchov, ako aj v raných štádiách vývoja mladých organizmov. Medzi bielkoviny v potrave patrí albumín (obr. 10) – hlavná zložka vaječného bielka, ako aj kazeín – hlavná bielkovina mlieka. Pôsobením enzýmu pepsín sa kazeín zráža v žalúdku, čo zabezpečuje jeho zadržiavanie v tráviacom trakte a účinné vstrebávanie. Kazeín obsahuje fragmenty všetkých aminokyselín, ktoré telo potrebuje.

Vo feritíne (obr. 12), ktorý je obsiahnutý v tkanivách zvierat, sú uložené ióny železa.

Myoglobín je tiež zásobný proteín, ktorý sa zložením a štruktúrou podobá hemoglobínu. Myoglobín sa koncentruje najmä vo svaloch, jeho hlavnou úlohou je ukladanie kyslíka, ktorý mu hemoglobín dáva. Rýchlo sa nasýti kyslíkom (oveľa rýchlejšie ako hemoglobín) a potom ho postupne prenáša do rôznych tkanív.

Štrukturálne proteíny plnia ochrannú funkciu (koža) alebo oporu – držia telo pohromade a dodávajú mu silu (chrupavka a šľachy). Ich hlavnou zložkou je fibrilárny proteín kolagén (obr. 11), najbežnejšia bielkovina živočíšneho sveta, v tele cicavcov tvorí takmer 30 % z celkovej hmoty bielkovín. Kolagén má vysokú pevnosť v ťahu (pevnosť kože je známa), ale vzhľadom na nízky obsah priečnych väzieb v kožnom kolagéne nie sú zvieracie kože v surovej forme príliš vhodné na výrobu rôznych produktov. Na zníženie opuchu kože vo vode, zmršťovania pri vysychaní, ako aj na zvýšenie pevnosti v zavodnenom stave a zvýšenie elasticity v kolagéne vznikajú ďalšie priečne väzby (obr. 15a), ide o tzv. proces opaľovania pokožky.

V živých organizmoch sa molekuly kolagénu, ktoré vznikli v procese rastu a vývoja organizmu, neaktualizujú a nenahrádzajú sa novosyntetizovanými. Ako telo starne, zvyšuje sa počet priečnych väzieb v kolagéne, čo vedie k zníženiu jeho elasticity, a keďže nedochádza k obnove, objavujú sa zmeny súvisiace s vekom - zvýšenie krehkosti chrupaviek a šliach, vzhľad vrásky na koži.

Kĺbové väzy obsahujú elastín, štrukturálny proteín, ktorý sa ľahko naťahuje v dvoch rozmeroch. Najväčšiu elasticitu má rezilínový proteín, ktorý sa u niektorých druhov hmyzu nachádza v miestach uchytenia krídel.

Rohové útvary – vlasy, nechty, perie, pozostávajúce hlavne z keratínového proteínu (obr. 24). Jeho hlavným rozdielom je výrazný obsah cysteínových zvyškov, ktoré tvoria disulfidové mostíky, čo dáva vlasom, ale aj vlneným látkam vysokú elasticitu (schopnosť obnoviť pôvodný tvar po deformácii).

Ryža. 24. FRAGMENT FIBRILÁRNEHO PROTEÍNU KERATÍNU

Pre nevratnú zmenu tvaru keratínového predmetu je potrebné najskôr zničiť disulfidové mostíky pomocou redukčného činidla, dať mu nový tvar a potom znovu vytvoriť disulfidové mostíky pomocou oxidačného činidla (obr. 16), takto sa robí napríklad trvalá na vlasoch.

So zvýšením obsahu cysteínových zvyškov v keratíne, a teda zvýšením počtu disulfidových mostíkov, schopnosť deformácie zmizne, ale súčasne sa objaví vysoká pevnosť (až 18% cysteínových fragmentov sú obsiahnuté v rohoch kopytníkov a pancieroch korytnačiek). Cicavce majú až 30 rôznych druhov keratínu.

Fibrilárny proteín fibroín príbuzný keratínu vylučovaný húsenicami priadky morušovej počas skrúcania kukly, ako aj pavúkmi počas tkania siete, obsahuje iba β-štruktúry spojené jednoduchými reťazcami (obr. 11). Na rozdiel od keratínu, fibroín nemá priečne disulfidové mostíky, má veľmi silnú pevnosť v ťahu (pevnosť na jednotku prierezu niektorých vzoriek siete je vyššia ako u oceľových káblov). Kvôli absencii priečnych väzieb je fibroín neelastický (je známe, že vlnené tkaniny sú takmer nezmazateľné a hodvábne tkaniny sa ľahko pokrčia).

regulačné proteíny.

Regulačné proteíny, častejšie označované ako hormóny, sa podieľajú na rôznych fyziologických procesoch. Napríklad hormón inzulín (obr. 25) pozostáva z dvoch α-reťazcov spojených disulfidovými mostíkmi. Inzulín reguluje metabolické procesy zahŕňajúce glukózu, jeho absencia vedie k cukrovke.

Ryža. 25 PROTEÍNOVÝ INZULÍN

Hypofýza mozgu syntetizuje hormón, ktorý reguluje rast tela. Existujú regulačné proteíny, ktoré riadia biosyntézu rôznych enzýmov v tele.

Kontraktilné a motorické proteíny dávajú telu schopnosť sťahovať sa, meniť tvar a pohybovať sa, v prvom rade hovoríme o svaloch. 40% hmoty všetkých bielkovín obsiahnutých vo svaloch tvorí myozín (mys, myos, grécky. - sval). Jeho molekula obsahuje fibrilárnu aj globulárnu časť (obr. 26)

Ryža. 26 MOLEKULA MYOZÍNU

Takéto molekuly sa spájajú do veľkých agregátov obsahujúcich 300 až 400 molekúl.

Pri zmene koncentrácie vápenatých iónov v priestore obklopujúcom svalové vlákna dochádza k reverzibilnej zmene konformácie molekúl – zmene tvaru reťazca v dôsledku rotácie jednotlivých fragmentov okolo valenčných väzieb. To vedie k svalovej kontrakcii a relaxácii, signál na zmenu koncentrácie vápenatých iónov prichádza z nervových zakončení vo svalových vláknach. Umelá kontrakcia svalov môže byť spôsobená pôsobením elektrických impulzov, čo vedie k prudkej zmene koncentrácie iónov vápnika, to je základ pre stimuláciu srdcového svalu, aby sa obnovila práca srdca.

Ochranné proteíny umožňujú chrániť telo pred inváziou útočiacich baktérií, vírusov a pred prienikom cudzích proteínov (všeobecný názov cudzích telies je antigény). Úlohu ochranných proteínov plnia imunoglobulíny (ich iný názov je protilátky), rozpoznávajú antigény, ktoré prenikli do tela a pevne sa na ne viažu. V tele cicavcov, vrátane človeka, existuje päť tried imunoglobulínov: M, G, A, D a E, ich štruktúra, ako už názov napovedá, je guľovitá, navyše sú všetky postavené podobným spôsobom. Molekulárna organizácia protilátok je znázornená nižšie s použitím imunoglobulínu triedy G ako príkladu (obr. 27). Molekula obsahuje štyri polypeptidové reťazce spojené tromi S-S disulfidovými mostíkmi (na obr. 27 sú znázornené zosilnenými valenčnými väzbami a veľkými symbolmi S), navyše každý polymérny reťazec obsahuje vnútroreťazcové disulfidové mostíky. Dva veľké polymérne reťazce (zvýraznené modrou farbou) obsahujú 400 – 600 aminokyselinových zvyškov. Ďalšie dva reťazce (zvýraznené zelenou farbou) sú takmer o polovicu kratšie a obsahujú približne 220 aminokyselinových zvyškov. Všetky štyri reťazce sú umiestnené tak, že koncové H2N-skupiny sú nasmerované jedným smerom.

Ryža. 27 SCHÉMAČNÝ NÁKRES ŠTRUKTÚRY IMUNOGLOBULÍNU

Po kontakte tela s cudzorodým proteínom (antigénom) začnú bunky imunitného systému produkovať imunoglobulíny (protilátky), ktoré sa hromadia v krvnom sére. V prvej fáze hlavnú prácu vykonávajú reťazové časti obsahujúce svorku H 2 N (na obr. 27 sú príslušné časti označené svetlomodrou a svetlozelenou farbou). Toto sú miesta zachytávania antigénu. V procese syntézy imunoglobulínov sa tieto miesta vytvárajú tak, aby ich štruktúra a konfigurácia čo najviac zodpovedala štruktúre blížiaceho sa antigénu (ako kľúč k zámku, ako enzýmy, ale úlohy sú v tomto prípade rôzne). Pre každý antigén sa teda ako imunitná odpoveď vytvorí striktne individuálna protilátka. Ani jeden známy proteín nedokáže tak „plasticky“ zmeniť svoju štruktúru v závislosti od vonkajších faktorov, okrem imunoglobulínov. Enzýmy riešia problém štrukturálnej zhody s činidlom iným spôsobom - pomocou gigantickej sady rôznych enzýmov pre všetky možné prípady a imunoglobulíny zakaždým prebudujú "pracovný nástroj". Navyše, pántová oblasť imunoglobulínu (obr. 27) poskytuje dvom záchytným oblastiam určitú nezávislú mobilitu, výsledkom čoho je, že molekula imunoglobulínu môže okamžite „nájsť“ dve najvhodnejšie oblasti na záchyt v antigéne, aby sa bezpečne fixovala to sa podobá činnostiam kôrovcov.

Ďalej sa zapne reťazec postupných reakcií imunitného systému tela, spoja sa imunoglobulíny iných tried, v dôsledku čoho sa deaktivuje cudzí proteín a potom sa zničí a odstráni antigén (cudzí mikroorganizmus alebo toxín).

Po kontakte s antigénom sa maximálna koncentrácia imunoglobulínu dosiahne (v závislosti od povahy antigénu a individuálnych vlastností samotného organizmu) v priebehu niekoľkých hodín (niekedy aj niekoľkých dní). Telo si takýto kontakt zapamätá a pri opätovnom napadnutí rovnakým antigénom sa imunoglobulíny hromadia v krvnom sére oveľa rýchlejšie a vo väčšom množstve – vzniká získaná imunita.

Vyššie uvedená klasifikácia proteínov je trochu ľubovoľná, napríklad trombínový proteín, spomínaný medzi ochrannými proteínmi, je v podstate enzým, ktorý katalyzuje hydrolýzu peptidových väzieb, to znamená, že patrí do triedy proteáz.

Ochranné bielkoviny sa často označujú ako bielkoviny hadieho jedu a toxické bielkoviny niektorých rastlín, keďže ich úlohou je chrániť telo pred poškodením.

Existujú proteíny, ktorých funkcie sú také jedinečné, že je ťažké ich klasifikovať. Napríklad proteín monelín, ktorý sa nachádza v africkej rastline, má veľmi sladkú chuť a bol predmetom výskumu ako netoxická látka, ktorú možno použiť namiesto cukru na prevenciu obezity. Krvná plazma niektorých antarktických rýb obsahuje bielkoviny s nemrznúcimi vlastnosťami, ktoré bránia zamrznutiu krvi týchto rýb.

Umelá syntéza bielkovín.

Kondenzácia aminokyselín vedúca k polypeptidovému reťazcu je dobre preštudovaný proces. Je možné napríklad uskutočniť kondenzáciu ktorejkoľvek aminokyseliny alebo zmesi kyselín a získať polymér obsahujúci rovnaké jednotky alebo rôzne jednotky, ktoré sa striedajú v náhodnom poradí. Takéto polyméry sa len málo podobajú prírodným polypeptidom a nevykazujú biologickú aktivitu. Hlavnou úlohou je spojiť aminokyseliny v presne definovanom, vopred naplánovanom poradí, aby sa reprodukovala sekvencia aminokyselinových zvyškov v prírodných proteínoch. Americký vedec Robert Merrifield navrhol originálnu metódu, ktorá umožnila takýto problém vyriešiť. Podstatou metódy je, že prvá aminokyselina je naviazaná na nerozpustný polymérny gél, ktorý obsahuje reaktívne skupiny, ktoré sa môžu spájať s –COOH – skupinami aminokyseliny. Ako taký polymérny substrát bol použitý zosieťovaný polystyrén s chlórmetylovými skupinami. Aby aminokyselina použitá pre reakciu nereagovala sama so sebou a aby sa nepripojila k H2N-skupine k substrátu, je aminoskupina tejto kyseliny vopred blokovaná objemným substituentom [(C4H 9) 3] 3OS (O)-skupina. Po pripojení aminokyseliny k polymérnemu nosiču sa blokujúca skupina odstráni a do reakčnej zmesi sa zavedie ďalšia aminokyselina, v ktorej je tiež vopred blokovaná skupina H2N. V takomto systéme je možná len interakcia H2N-skupiny prvej aminokyseliny a -COOH skupiny druhej kyseliny, ktorá sa uskutočňuje v prítomnosti katalyzátorov (fosfóniových solí). Potom sa celá schéma zopakuje so zavedením tretej aminokyseliny (obr. 28).

Ryža. 28. SCHÉMA SYNTÉZY POLYPEPTIDOVÝCH REŤAZCOV

V poslednom kroku sa výsledné polypeptidové reťazce oddelia od polystyrénového nosiča. Teraz je celý proces automatizovaný, existujú automatické syntetizátory peptidov, ktoré fungujú podľa opísanej schémy. Touto metódou bolo syntetizovaných veľa peptidov používaných v medicíne a poľnohospodárstve. Bolo tiež možné získať zlepšené analógy prírodných peptidov so selektívnym a zvýšeným účinkom. Boli syntetizované niektoré malé proteíny, ako napríklad hormón inzulín a niektoré enzýmy.

Existujú aj metódy syntézy proteínov, ktoré replikujú prirodzené procesy: syntetizujú sa fragmenty nukleových kyselín, ktoré sú nakonfigurované tak, aby produkovali určité proteíny, potom sa tieto fragmenty vložia do živého organizmu (napríklad do baktérie), po čom telo začne produkovať požadovaný proteín. Týmto spôsobom sa teraz získavajú významné množstvá ťažko dostupných proteínov a peptidov, ako aj ich analógov.

Proteíny ako zdroje potravy.

Bielkoviny sa v živom organizme neustále štiepia na svoje pôvodné aminokyseliny (za nepostrádateľnej účasti enzýmov), niektoré aminokyseliny prechádzajú na iné, potom sa bielkoviny opäť syntetizujú (aj za účasti enzýmov), t.j. telo sa neustále obnovuje. Niektoré bielkoviny (kolagén pokožky, vlasov) sa neobnovujú, telo ich priebežne stráca a namiesto toho si syntetizuje nové. Proteíny ako zdroje potravy plnia dve hlavné funkcie: dodávajú telu stavebný materiál na syntézu nových molekúl bielkovín a okrem toho dodávajú telu energiu (zdroje kalórií).

Mäsožravé cicavce (vrátane človeka) získavajú potrebné bielkoviny z rastlinnej a živočíšnej potravy. Žiadna z bielkovín získaných z potravy sa do tela neintegruje v nezmenenej forme. V tráviacom trakte sa všetky vstrebané bielkoviny rozložia na aminokyseliny a už sa z nich vybudujú bielkoviny potrebné pre konkrétny organizmus, pričom zvyšných 12 sa dá v tele syntetizovať z 8 esenciálnych kyselín (tabuľka 1), ak nie sú dodávané v dostatočnom množstve s potravou, ale esenciálne kyseliny sa musia bezpodmienečne dodávať s potravou. Atómy síry v cysteíne získava telo s esenciálnou aminokyselinou metionínom. Časť bielkovín sa rozkladá, čím sa uvoľňuje energia potrebná na udržanie života a dusík v nich obsiahnutý sa vylučuje z tela močom. Ľudské telo zvyčajne stráca 25–30 g bielkovín za deň, takže bielkovinové potraviny musia byť vždy prítomné v správnom množstve. Minimálna denná potreba bielkovín je pre mužov 37 g a pre ženy 29 g, ale odporúčaný príjem je takmer dvojnásobný. Pri hodnotení potravín je dôležité zvážiť kvalitu bielkovín. Pri absencii alebo nízkom obsahu esenciálnych aminokyselín sa proteín považuje za málo hodnotný, preto by sa takéto proteíny mali konzumovať vo väčších množstvách. Takže bielkoviny strukovín obsahujú málo metionínu a bielkoviny pšenice a kukurice majú nízky obsah lyzínu (obe aminokyseliny sú esenciálne). Živočíšne bielkoviny (okrem kolagénov) sú klasifikované ako kompletné potraviny. Kompletná sada všetkých esenciálnych kyselín obsahuje mliečny kazeín, ale aj tvaroh a syr z neho pripravený, takže vegetariánska strava, ak je veľmi prísna, t.j. „bez mlieka“, vyžaduje zvýšenú konzumáciu strukovín, orechov a húb, aby sa telu dodali esenciálne aminokyseliny v správnom množstve.

Syntetické aminokyseliny a bielkoviny sa tiež používajú ako potravinové produkty a pridávajú ich do krmiva, ktoré obsahuje esenciálne aminokyseliny v malých množstvách. Existujú baktérie, ktoré dokážu spracovať a asimilovať ropné uhľovodíky, v tomto prípade je potrebné na úplnú syntézu bielkovín ich kŕmiť zlúčeninami obsahujúcimi dusík (amoniak alebo dusičnany). Takto získaný proteín sa používa ako krmivo pre hospodárske zvieratá a hydinu. Do krmiva pre zvieratá sa často pridáva súbor enzýmov, karbohydrázy, ktoré katalyzujú hydrolýzu ťažko rozložiteľných sacharidových zložiek potravy (bunkové steny obilnín), v dôsledku čoho sa rastlinná potrava lepšie vstrebáva.

Michail Levický

PROTEÍNY (článok 2)

(bielkoviny), trieda komplexných zlúčenín obsahujúcich dusík, najcharakteristickejšie a najdôležitejšie (spolu s nukleovými kyselinami) zložky živej hmoty. Proteíny plnia mnoho rôznych funkcií. Väčšina proteínov sú enzýmy, ktoré katalyzujú chemické reakcie. Mnohé hormóny, ktoré regulujú fyziologické procesy, sú tiež proteíny. Štrukturálne proteíny ako kolagén a keratín sú hlavnými zložkami kostného tkaniva, vlasov a nechtov. Kontraktilné proteíny svalov majú schopnosť meniť svoju dĺžku pomocou chemickej energie na vykonávanie mechanickej práce. Proteíny sú protilátky, ktoré viažu a neutralizujú toxické látky. Niektoré bielkoviny, ktoré môžu reagovať na vonkajšie vplyvy (svetlo, vôňa), slúžia ako receptory v zmyslových orgánoch, ktoré vnímajú podráždenie. Mnohé proteíny umiestnené vo vnútri bunky a na bunkovej membráne vykonávajú regulačné funkcie.

V prvej polovici 19. stor mnohí chemici, medzi nimi predovšetkým J. von Liebig, postupne dospeli k záveru, že proteíny sú špeciálnou triedou dusíkatých zlúčenín. Názov "proteíny" (z gréckeho protos - prvý) navrhol v roku 1840 holandský chemik G. Mulder.

FYZIKÁLNE VLASTNOSTI

Proteíny sú biele v pevnom stave, ale bezfarebné v roztoku, pokiaľ nenesú nejakú chromoforovú (farebnú) skupinu, ako je hemoglobín. Rozpustnosť rôznych proteínov vo vode sa veľmi líši. Tiež sa mení s pH a s koncentráciou solí v roztoku, takže je možné zvoliť podmienky, za ktorých sa bude jeden proteín selektívne zrážať v prítomnosti iných proteínov. Táto metóda „vysolenia“ sa široko používa na izoláciu a čistenie proteínov. Purifikovaný proteín sa často vyzráža z roztoku ako kryštály.

V porovnaní s inými zlúčeninami je molekulová hmotnosť proteínov veľmi veľká - od niekoľkých tisíc až po mnoho miliónov daltonov. Preto sa pri ultracentrifugácii proteíny zrážajú a navyše rôznou rýchlosťou. V dôsledku prítomnosti kladne a záporne nabitých skupín v molekulách proteínov sa v elektrickom poli pohybujú rôznymi rýchlosťami. Toto je základ elektroforézy, metódy používanej na izoláciu jednotlivých proteínov z komplexných zmesí. Čistenie proteínov sa tiež uskutočňuje chromatografiou.

CHEMICKÉ VLASTNOSTI

Štruktúra.

Proteíny sú polyméry, t.j. molekuly postavené ako reťazce z opakujúcich sa monomérnych jednotiek alebo podjednotiek, ktorých úlohu zohrávajú alfa-aminokyseliny. Všeobecný vzorec aminokyselín

kde R je atóm vodíka alebo nejaká organická skupina.

Proteínová molekula (polypeptidový reťazec) môže pozostávať len z relatívne malého počtu aminokyselín alebo niekoľkých tisíc monomérnych jednotiek. Spojenie aminokyselín v reťazci je možné, pretože každá z nich má dve rôzne chemické skupiny: zásaditú aminoskupinu NH2 a kyslú karboxylovú skupinu COOH. Obe tieto skupiny sú pripojené k atómu uhlíka. Karboxylová skupina jednej aminokyseliny môže tvoriť amidovú (peptidovú) väzbu s aminoskupinou inej aminokyseliny:

Po spojení dvoch aminokyselín týmto spôsobom môže byť reťazec predĺžený pridaním tretej k druhej aminokyseline atď. Ako je možné vidieť z vyššie uvedenej rovnice, keď sa vytvorí peptidová väzba, uvoľní sa molekula vody. V prítomnosti kyselín, zásad alebo proteolytických enzýmov prebieha reakcia v opačnom smere: polypeptidový reťazec sa za prídavku vody štiepi na aminokyseliny. Táto reakcia sa nazýva hydrolýza. Hydrolýza prebieha spontánne a na spojenie aminokyselín do polypeptidového reťazca je potrebná energia.

Karboxylová skupina a amidová skupina (alebo jej podobná imidová skupina - v prípade prolínovej aminokyseliny) sú prítomné vo všetkých aminokyselinách, zatiaľ čo rozdiely medzi aminokyselinami sú určené povahou tejto skupiny alebo "stranou" reťazec", ktorý je označený vyššie písmenom R. Úlohu vedľajšieho reťazca môže zohrávať jeden atóm vodíka, ako je aminokyselina glycín, a niektoré objemné zoskupenia, ako je histidín a tryptofán. Niektoré bočné reťazce sú chemicky inertné, zatiaľ čo iné sú vysoko reaktívne.

Je možné syntetizovať mnoho tisíc rôznych aminokyselín a v prírode sa vyskytuje mnoho rôznych aminokyselín, ale na syntézu proteínov sa používa iba 20 typov aminokyselín: alanín, arginín, asparagín, kyselina asparágová, valín, histidín, glycín, glutamín, glutámová kyselina, izoleucín, leucín, lyzín, metionín, prolín, serín, tyrozín, treonín, tryptofán, fenylalanín a cysteín (v proteínoch môže byť cysteín prítomný ako dimér - cystín). Pravda, v niektorých proteínoch sú okrem pravidelne sa vyskytujúcej dvadsiatky aj iné aminokyseliny, ktoré však vznikajú modifikáciou ktorejkoľvek z dvadsiatich uvedených po zaradení do proteínu.

optická aktivita.

Všetky aminokyseliny, s výnimkou glycínu, majú štyri rôzne skupiny pripojené k atómu α-uhlíka. Z hľadiska geometrie môžu byť štyri rôzne skupiny pripojené dvoma spôsobmi, a preto existujú dve možné konfigurácie alebo dva izoméry, ktoré sú navzájom spojené ako objekt k svojmu zrkadlovému obrazu, t.j. ako zľava doprava. Jedna konfigurácia sa nazýva ľavostranná alebo ľavotočivá (L) a druhá pravotočivá alebo pravotočivá (D), pretože tieto dva izoméry sa líšia v smere rotácie roviny polarizovaného svetla. V proteínoch sa vyskytujú iba L-aminokyseliny (výnimkou je glycín; môže byť zastúpený iba v jednej forme, pretože dve z jeho štyroch skupín sú rovnaké) a všetky majú optickú aktivitu (pretože existuje iba jeden izomér). D-aminokyseliny sú v prírode zriedkavé; nachádzajú sa v niektorých antibiotikách a bunkovej stene baktérií.

Poradie aminokyselín.

Aminokyseliny v polypeptidovom reťazci nie sú usporiadané náhodne, ale v určitom pevnom poradí a práve toto poradie určuje funkcie a vlastnosti proteínu. Zmenou poradia 20 druhov aminokyselín môžete získať obrovské množstvo rôznych proteínov, rovnako ako si môžete vytvoriť mnoho rôznych textov z písmen abecedy.

V minulosti trvalo určenie aminokyselinovej sekvencie proteínu často niekoľko rokov. Priame určovanie je stále dosť namáhavá úloha, aj keď boli vytvorené zariadenia, ktoré ho umožňujú vykonávať automaticky. Zvyčajne je jednoduchšie určiť nukleotidovú sekvenciu zodpovedajúceho génu a odvodiť z nej aminokyselinovú sekvenciu proteínu. K dnešnému dňu už boli určené aminokyselinové sekvencie mnohých stoviek proteínov. Funkcie dekódovaných proteínov sú zvyčajne známe, čo pomáha predstaviť si možné funkcie podobných proteínov vytvorených napríklad v malígnych novotvaroch.

Komplexné proteíny.

Proteíny pozostávajúce iba z aminokyselín sa nazývajú jednoduché. Často je však k polypeptidovému reťazcu pripojený atóm kovu alebo nejaká chemická zlúčenina, ktorá nie je aminokyselinou. Takéto proteíny sa nazývajú komplexné. Príkladom je hemoglobín: obsahuje porfyrín železa, ktorý mu dodáva červenú farbu a umožňuje mu pôsobiť ako nosič kyslíka.

Názvy najkomplexnejších proteínov obsahujú označenie povahy pripojených skupín: cukry sú prítomné v glykoproteínoch, tuky v lipoproteínoch. Ak katalytická aktivita enzýmu závisí od pripojenej skupiny, potom sa nazýva protetická skupina. Často niektorý vitamín zohráva úlohu protetickej skupiny alebo je jej súčasťou. Napríklad vitamín A pripojený k jednému z proteínov sietnice určuje jeho citlivosť na svetlo.

Terciárna štruktúra.

Dôležitá nie je ani tak sekvencia aminokyselín proteínu (primárna štruktúra), ale spôsob jeho uloženia v priestore. Po celej dĺžke polypeptidového reťazca tvoria vodíkové ióny pravidelné vodíkové väzby, ktoré mu dávajú tvar špirály alebo vrstvy (sekundárna štruktúra). Kombináciou takýchto helixov a vrstiev vzniká kompaktná forma nasledujúceho rádu - terciárna štruktúra proteínu. Okolo väzieb, ktoré držia monomérne články reťazca, sú možné rotácie v malých uhloch. Preto z čisto geometrického hľadiska je počet možných konfigurácií pre akýkoľvek polypeptidový reťazec nekonečne veľký. V skutočnosti každý proteín normálne existuje len v jednej konfigurácii, ktorá je určená jeho aminokyselinovou sekvenciou. Táto štruktúra nie je tuhá, zdá sa, že „dýcha“ – osciluje okolo určitej priemernej konfigurácie. Reťaz je poskladaná do konfigurácie, v ktorej je voľná energia (schopnosť konať prácu) minimálna, rovnako ako uvoľnená pružina je stlačená len do stavu zodpovedajúceho minimu voľnej energie. Jedna časť reťazca je často pevne spojená s druhou disulfidovými (–S–S–) väzbami medzi dvoma cysteínovými zvyškami. To je čiastočne dôvod, prečo cysteín medzi aminokyselinami hrá obzvlášť dôležitú úlohu.

Zložitosť štruktúry proteínov je taká veľká, že zatiaľ nie je možné vypočítať terciárnu štruktúru proteínu, aj keď je známa jeho aminokyselinová sekvencia. Ale ak je možné získať kryštály proteínu, potom sa jeho terciárna štruktúra môže určiť pomocou röntgenovej difrakcie.

V štruktúrnych, kontraktilných a niektorých iných proteínoch sú reťazce predĺžené a niekoľko mierne zložených reťazcov ležiacich vedľa seba tvorí fibrily; fibrily sa zase skladajú do väčších útvarov – vlákien. Väčšina proteínov v roztoku je však guľovitá: reťazce sú zvinuté do guľôčky, ako priadza v klbku. Voľná ​​energia v tejto konfigurácii je minimálna, pretože hydrofóbne („vodu odpudzujúce“) aminokyseliny sú skryté vo vnútri globule, zatiaľ čo hydrofilné („vodu priťahujúce“) aminokyseliny sú na jej povrchu.

Mnohé proteíny sú komplexy niekoľkých polypeptidových reťazcov. Táto štruktúra sa nazýva kvartérna štruktúra proteínu. Molekula hemoglobínu sa napríklad skladá zo štyroch podjednotiek, z ktorých každá je globulárny proteín.

Štrukturálne proteíny vďaka svojej lineárnej konfigurácii tvoria vlákna, v ktorých je pevnosť v ťahu veľmi vysoká, zatiaľ čo globulárna konfigurácia umožňuje proteínom vstupovať do špecifických interakcií s inými zlúčeninami. Na povrchu globule sa pri správnom ukladaní reťazcov objavujú dutiny určitého tvaru, v ktorých sa nachádzajú reaktívne chemické skupiny. Ak je týmto proteínom enzým, potom sa do takejto dutiny dostane iná, zvyčajne menšia, molekula nejakej látky, rovnako ako kľúč do zámku; v tomto prípade sa vplyvom chemických skupín nachádzajúcich sa v dutine mení konfigurácia elektrónového oblaku molekuly a to ju núti reagovať určitým spôsobom. Týmto spôsobom enzým katalyzuje reakciu. Molekuly protilátok majú tiež dutiny, v ktorých sa viažu rôzne cudzie látky, a tým sa stávajú neškodnými. Model „kľúč a zámok“, ktorý vysvetľuje interakciu proteínov s inými zlúčeninami, umožňuje pochopiť špecifickosť enzýmov a protilátok, t.j. ich schopnosť reagovať len s určitými zlúčeninami.

Proteíny v rôznych typoch organizmov.

Podobnú konfiguráciu majú aj proteíny, ktoré plnia rovnakú funkciu v rôznych rastlinných a živočíšnych druhoch, a preto nesú rovnaký názov. Trochu sa však líšia v sekvencii aminokyselín. Keď sa druhy odchyľujú od spoločného predka, niektoré aminokyseliny v určitých polohách sú nahradené mutáciami s inými. Škodlivé mutácie, ktoré spôsobujú dedičné choroby, sú prirodzeným výberom vyradené, ale prospešné alebo aspoň neutrálne môžu byť zachované. Čím bližšie sú dva biologické druhy k sebe, tým menšie rozdiely sa nachádzajú v ich proteínoch.

Niektoré proteíny sa menia pomerne rýchlo, iné sú dosť konzervatívne. Medzi posledné patria napríklad cytochróm c, respiračný enzým, ktorý sa nachádza vo väčšine živých organizmov. U ľudí a šimpanzov sú jeho aminokyselinové sekvencie identické, zatiaľ čo v cytochróme c pšenice sa ukázalo, že iba 38 % aminokyselín je odlišných. Aj pri porovnaní ľudí a baktérií je stále vidieť podobnosť cytochrómov s (rozdiely tu postihujú 65% aminokyselín), hoci spoločný predok baktérií a ľudí žil na Zemi asi pred dvoma miliardami rokov. V súčasnosti sa porovnávanie aminokyselinových sekvencií často používa na vytvorenie fylogenetického (genealogického) stromu, ktorý odráža evolučné vzťahy medzi rôznymi organizmami.

Denaturácia.

Syntetizovaná molekula proteínu, skladanie, získava svoju vlastnú konfiguráciu. Táto konfigurácia však môže byť zničená zahrievaním, zmenou pH, pôsobením organických rozpúšťadiel a dokonca jednoduchým miešaním roztoku, kým sa na jeho povrchu neobjavia bubliny. Takto pozmenený proteín sa nazýva denaturovaný; stráca svoju biologickú aktivitu a zvyčajne sa stáva nerozpustným. Známe príklady denaturovaných bielkovín sú varené vajcia alebo šľahačka. Malé bielkoviny, obsahujúce len asi sto aminokyselín, sú schopné renaturácie, t.j. znovu získať pôvodnú konfiguráciu. Ale väčšina proteínov sa jednoducho transformuje na množstvo zamotaných polypeptidových reťazcov a neobnoví svoju predchádzajúcu konfiguráciu.

Jednou z hlavných ťažkostí pri izolácii aktívnych proteínov je ich extrémna citlivosť na denaturáciu. Táto vlastnosť proteínov nachádza užitočné uplatnenie pri konzervácii potravinárskych výrobkov: vysoká teplota nevratne denaturuje enzýmy mikroorganizmov a mikroorganizmy odumierajú.

SYNTÉZY BIELKOVÍN

Pre syntézu bielkovín musí mať živý organizmus systém enzýmov schopných viazať jednu aminokyselinu na druhú. Potrebný je aj zdroj informácií, ktorý by určil, ktoré aminokyseliny by mali byť spojené. Keďže v tele existujú tisíce druhov bielkovín a každý z nich pozostáva v priemere z niekoľkých stoviek aminokyselín, požadované informácie musia byť skutočne obrovské. Je uložený (podobne ako záznam na magnetickej páske) v molekulách nukleových kyselín, ktoré tvoria gény.

Aktivácia enzýmov.

Polypeptidový reťazec syntetizovaný z aminokyselín nie je vždy proteínom vo svojej konečnej forme. Mnohé enzýmy sa najskôr syntetizujú ako neaktívne prekurzory a stanú sa aktívnymi až potom, čo iný enzým odstráni niekoľko aminokyselín z jedného konca reťazca. Niektoré z tráviacich enzýmov, ako je trypsín, sú syntetizované v tejto neaktívnej forme; tieto enzýmy sa aktivujú v tráviacom trakte v dôsledku odstránenia koncového fragmentu reťazca. Hormón inzulín, ktorého molekula v aktívnej forme pozostáva z dvoch krátkych reťazcov, sa syntetizuje vo forme jedného reťazca, tzv. proinzulín. Potom sa odstráni stredná časť tohto reťazca a zvyšné fragmenty sa navzájom viažu a vytvárajú aktívnu molekulu hormónu. Komplexné bielkoviny vznikajú až po naviazaní určitej chemickej skupiny na bielkovinu a toto pripojenie často vyžaduje aj enzým.

Metabolický obeh.

Po kŕmení zvieraťa aminokyselinami označenými rádioaktívnymi izotopmi uhlíka, dusíka alebo vodíka sa značka rýchlo začlení do jeho bielkovín. Ak označené aminokyseliny prestanú vstúpiť do tela, množstvo označenia v proteínoch začne klesať. Tieto experimenty ukazujú, že výsledné bielkoviny sa v tele neukladajú až do konca života. Všetky, až na pár výnimiek, sú v dynamickom stave, neustále sa rozkladajú na aminokyseliny a následne sa znovu syntetizujú.

Niektoré proteíny sa rozkladajú, keď bunky odumierajú a sú zničené. To sa deje neustále, napríklad s červenými krvinkami a epitelovými bunkami, ktoré lemujú vnútorný povrch čreva. Okrem toho v živých bunkách dochádza aj k rozkladu a resyntéze bielkovín. Napodiv, o rozklade bielkovín sa vie menej ako o ich syntéze. Čo je však jasné, na rozklade sa podieľajú proteolytické enzýmy, podobné tým, ktoré v tráviacom trakte rozkladajú bielkoviny na aminokyseliny.

Polčas rozpadu rôznych proteínov je rôzny – od niekoľkých hodín až po mnoho mesiacov. Jedinou výnimkou sú molekuly kolagénu. Po vytvorení zostávajú stabilné a neobnovujú sa ani nevymieňajú. Postupom času sa však niektoré ich vlastnosti, najmä elasticita, menia, a keďže sa neobnovujú, výsledkom sú určité zmeny súvisiace s vekom, ako napríklad vznik vrások na pokožke.

syntetické proteíny.

Chemici sa už dávno naučili polymerizovať aminokyseliny, ale aminokyseliny sa kombinujú náhodne, takže produkty takejto polymerizácie sa len málo podobajú na prírodné. Je pravda, že je možné kombinovať aminokyseliny v danom poradí, čo umožňuje získať niektoré biologicky aktívne bielkoviny, najmä inzulín. Proces je pomerne komplikovaný a týmto spôsobom je možné získať len tie proteíny, ktorých molekuly obsahujú asi sto aminokyselín. Namiesto toho je výhodné syntetizovať alebo izolovať nukleotidovú sekvenciu génu zodpovedajúceho požadovanej aminokyselinovej sekvencii a potom zaviesť tento gén do baktérie, ktorá bude produkovať replikáciou veľké množstvo požadovaného produktu. Táto metóda má však aj svoje nevýhody.

BIELKOVINY A VÝŽIVA

Keď sa bielkoviny v tele rozložia na aminokyseliny, tieto aminokyseliny sa môžu opätovne použiť na syntézu bielkovín. Zároveň samotné aminokyseliny podliehajú rozkladu, takže nie sú plne využité. Je tiež jasné, že počas rastu, tehotenstva a hojenia rán musí syntéza bielkovín prevýšiť degradáciu. Telo neustále stráca niektoré bielkoviny; sú to bielkoviny vlasov, nechtov a povrchovej vrstvy kože. Preto pre syntézu bielkovín musí každý organizmus prijímať aminokyseliny z potravy.

Zdroje aminokyselín.

Zelené rastliny syntetizujú všetkých 20 aminokyselín nachádzajúcich sa v bielkovinách z CO2, vody a amoniaku alebo dusičnanov. Mnohé baktérie sú tiež schopné syntetizovať aminokyseliny v prítomnosti cukru (alebo nejakého ekvivalentu) a fixovaného dusíka, ale cukor je nakoniec dodávaný zelenými rastlinami. U zvierat je schopnosť syntetizovať aminokyseliny obmedzená; aminokyseliny získavajú jedením zelených rastlín alebo iných živočíchov. V tráviacom trakte sa vstrebané bielkoviny rozložia na aminokyseliny, tie sa vstrebú a vybudujú sa z nich bielkoviny charakteristické pre daný organizmus. Žiadna z absorbovaných bielkovín nie je začlenená do telesných štruktúr ako takých. Jedinou výnimkou je, že u mnohých cicavcov môže časť materských protilátok prejsť neporušená cez placentu do fetálneho obehu a materským mliekom (najmä u prežúvavcov) sa preniesť na novorodenca hneď po narodení.

Potreba bielkovín.

Je jasné, že na udržanie života musí telo prijímať určité množstvo bielkovín z potravy. Veľkosť tejto potreby však závisí od množstva faktorov. Telo potrebuje potravu ako zdroj energie (kalórií) aj ako materiál na stavbu svojich štruktúr. Na prvom mieste je potreba energie. To znamená, že keď je v strave málo uhľohydrátov a tukov, bielkoviny z potravy sa nevyužívajú na syntézu vlastných bielkovín, ale ako zdroj kalórií. Pri dlhotrvajúcom pôste sa dokonca aj vaše vlastné bielkoviny míňajú na uspokojenie energetických potrieb. Ak je v strave dostatok sacharidov, potom je možné znížiť príjem bielkovín.

dusíková bilancia.

V priemere cca. 16 % z celkovej hmotnosti bielkovín tvorí dusík. Pri rozklade aminokyselín, ktoré tvoria bielkoviny, sa dusík v nich obsiahnutý vylučuje z tela močom a (v menšej miere) stolicou vo forme rôznych dusíkatých zlúčenín. Preto je vhodné na posúdenie kvality bielkovinovej výživy použiť taký ukazovateľ, akým je dusíková bilancia, t.j. rozdiel (v gramoch) medzi množstvom dusíka prijatého do tela a množstvom dusíka vylúčeného za deň. Pri normálnej výžive u dospelého človeka sú tieto množstvá rovnaké. V rastúcom organizme je množstvo vylúčeného dusíka menšie ako množstvo prichádzajúceho, t.j. bilancia je kladná. Pri nedostatku bielkovín v strave je bilancia negatívna. Ak je v strave dostatok kalórií, no bielkoviny v nej úplne chýbajú, telo bielkovinami šetrí. Zároveň sa spomaľuje metabolizmus bielkovín a reutilizácia aminokyselín pri syntéze bielkovín prebieha čo najefektívnejšie. Straty sú však nevyhnutné a dusíkaté zlúčeniny sa stále vylučujú močom a čiastočne aj stolicou. Množstvo dusíka vylúčeného z tela za deň počas proteínového hladovania môže slúžiť ako miera denného nedostatku bielkovín. Je prirodzené predpokladať, že zavedením množstva bielkovín ekvivalentných tomuto nedostatku do stravy je možné obnoviť dusíkovú rovnováhu. Avšak nie je. Po prijatí tohto množstva bielkovín telo začne využívať aminokyseliny menej efektívne, takže na obnovenie dusíkovej rovnováhy je potrebný ďalší proteín.

Ak množstvo bielkovín v strave presahuje to, čo je potrebné na udržanie dusíkovej rovnováhy, zdá sa, že z toho nie je žiadna škoda. Prebytočné aminokyseliny sa jednoducho využívajú ako zdroj energie. Obzvlášť nápadným príkladom sú Eskimáci, ktorí konzumujú málo sacharidov a asi desaťkrát viac bielkovín, ako je potrebné na udržanie dusíkovej rovnováhy. Vo väčšine prípadov však používanie bielkovín ako zdroja energie nie je prospešné, pretože z daného množstva sacharidov môžete získať oveľa viac kalórií ako z rovnakého množstva bielkovín. V chudobných krajinách prijíma obyvateľstvo potrebné kalórie zo sacharidov a prijíma minimálne množstvo bielkovín.

Ak telo prijíma potrebný počet kalórií vo forme nebielkovinových produktov, tak minimálne množstvo bielkovín, ktoré udrží dusíkovú bilanciu, je cca. 30 g denne. Približne toľko bielkovín obsahujú štyri krajce chleba alebo 0,5 litra mlieka. O niečo väčšie množstvo sa zvyčajne považuje za optimálne; odporúča sa od 50 do 70 g.

Esenciálne aminokyseliny.

Až doteraz sa proteín považoval za celok. Medzitým, aby prebehla syntéza bielkovín, musia byť v tele prítomné všetky potrebné aminokyseliny. Niektoré z aminokyselín je telo zvieraťa schopné samo syntetizovať. Nazývajú sa zameniteľné, keďže nemusia byť prítomné v strave, dôležité je len to, aby vo všeobecnosti postačoval príjem bielkovín ako zdroja dusíka; potom pri nedostatku neesenciálnych aminokyselín ich telo dokáže syntetizovať na úkor tých, ktoré sú prítomné v nadbytku. Zvyšné „esenciálne“ aminokyseliny sa nedajú syntetizovať a musia sa prijímať s jedlom. Pre ľudí sú nevyhnutné valín, leucín, izoleucín, treonín, metionín, fenylalanín, tryptofán, histidín, lyzín a arginín. (Aj keď si arginín dokáže telo syntetizovať, považuje sa za esenciálnu aminokyselinu, pretože novorodenci a rastúce deti ho produkujú v nedostatočnom množstve. Na druhej strane pre človeka v zrelšom veku je príjem niektorých z týchto aminokyselín z potravy môže byť voliteľné.)

Tento zoznam esenciálnych aminokyselín je približne rovnaký u iných stavovcov a dokonca aj u hmyzu. Výživová hodnota bielkovín sa zvyčajne určuje ich podávaním rastúcim potkanom a sledovaním prírastku hmotnosti zvierat.

Nutričná hodnota bielkovín.

Nutričná hodnota proteínu je určená esenciálnou aminokyselinou, ktorá je najviac deficitná. Ilustrujme si to na príklade. Bielkoviny nášho tela obsahujú v priemere cca. 2 % tryptofánu (podľa hmotnosti). Povedzme, že strava obsahuje 10 g bielkovín s obsahom 1% tryptofánu a že je v nej dostatok iných esenciálnych aminokyselín. V našom prípade je 10 g tohto defektného proteínu v podstate ekvivalentných 5 g kompletného proteínu; zvyšných 5 g môže slúžiť len ako zdroj energie. Všimnite si, že keďže aminokyseliny sa v tele prakticky neukladajú a aby prebehla syntéza bielkovín, musia byť prítomné všetky aminokyseliny súčasne, účinok príjmu esenciálnych aminokyselín možno zistiť len vtedy, ak všetky vstúpia do organizmu. telo zároveň.

Priemerné zloženie väčšiny živočíšnych bielkovín je blízke priemernému zloženiu bielkovín v ľudskom tele, takže je nepravdepodobné, že budeme čeliť nedostatku aminokyselín, ak je naša strava bohatá na potraviny ako mäso, vajcia, mlieko a syry. Existujú však bielkoviny, napríklad želatína (produkt denaturácie kolagénu), ktoré obsahujú veľmi málo esenciálnych aminokyselín. Rastlinné bielkoviny, hoci sú v tomto zmysle lepšie ako želatína, sú tiež chudobné na esenciálne aminokyseliny; najmä málo v nich lyzín a tryptofán. Čisto vegetariánska strava však v žiadnom prípade nie je nezdravá, pokiaľ nekonzumuje o niečo väčšie množstvo rastlinných bielkovín, postačujúcich na to, aby telu dodali esenciálne aminokyseliny. Najviac bielkovín sa nachádza v rastlinách v semenách, najmä v semenách pšenice a rôznych strukovín. Mladé výhonky, napríklad špargľa, sú tiež bohaté na bielkoviny.

Syntetické bielkoviny v strave.

Pridaním malého množstva syntetických esenciálnych aminokyselín alebo bielkovín na ne bohatých k neplnohodnotným bielkovinám, ako sú kukuričné ​​bielkoviny, možno výrazne zvýšiť ich nutričnú hodnotu, t.j. čím sa zvyšuje množstvo spotrebovaných bielkovín. Ďalšou možnosťou je pestovanie baktérií alebo kvasiniek na ropných uhľovodíkoch s prídavkom dusičnanov alebo amoniaku ako zdroja dusíka. Takto získaná mikrobiálna bielkovina môže slúžiť ako krmivo pre hydinu alebo hospodárske zvieratá, alebo ju môžu ľudia priamo konzumovať. Tretia, široko používaná metóda využíva fyziológiu prežúvavcov. U prežúvavcov sa v počiatočnom úseku žalúdka, tzv. V bachore sa nachádzajú špeciálne formy baktérií a prvokov, ktoré premieňajú defektné rastlinné bielkoviny na kompletnejšie mikrobiálne bielkoviny a tie sa po strávení a vstrebaní zase menia na živočíšne bielkoviny. Močovina, lacná syntetická zlúčenina obsahujúca dusík, sa môže pridávať do krmiva pre hospodárske zvieratá. Mikroorganizmy žijúce v bachore využívajú močovinový dusík na premenu sacharidov (ktorých je v krmive oveľa viac) na bielkoviny. Asi tretina všetkého dusíka v krmive pre hospodárske zvieratá môže pochádzať vo forme močoviny, čo v podstate znamená do určitej miery chemickú syntézu bielkovín.

BIELKOVINY (bielkoviny), trieda komplexných zlúčenín obsahujúcich dusík, najcharakteristickejšie a najdôležitejšie (spolu s nukleovými kyselinami) zložky živej hmoty. Proteíny plnia mnoho rôznych funkcií. Väčšina proteínov sú enzýmy, ktoré katalyzujú chemické reakcie. Mnohé hormóny, ktoré regulujú fyziologické procesy, sú tiež proteíny. Štrukturálne proteíny ako kolagén a keratín sú hlavnými zložkami kostného tkaniva, vlasov a nechtov. Kontraktilné proteíny svalov majú schopnosť meniť svoju dĺžku pomocou chemickej energie na vykonávanie mechanickej práce. Proteíny sú protilátky, ktoré viažu a neutralizujú toxické látky. Niektoré bielkoviny, ktoré môžu reagovať na vonkajšie vplyvy (svetlo, vôňa), slúžia ako receptory v zmyslových orgánoch, ktoré vnímajú podráždenie. Mnohé proteíny umiestnené vo vnútri bunky a na bunkovej membráne vykonávajú regulačné funkcie.

V prvej polovici 19. stor mnohí chemici, medzi nimi predovšetkým J. von Liebig, postupne dospeli k záveru, že proteíny sú špeciálnou triedou dusíkatých zlúčenín. Názov „proteíny“ (z gréčtiny.

protos- prvý) navrhol v roku 1840 holandský chemik G. Mulder. FYZIKÁLNE VLASTNOSTI Proteíny sú biele v pevnom stave, ale bezfarebné v roztoku, pokiaľ nenesú nejakú chromoforovú (farebnú) skupinu, ako je hemoglobín. Rozpustnosť rôznych proteínov vo vode sa veľmi líši. Tiež sa mení s pH a s koncentráciou solí v roztoku, takže je možné zvoliť podmienky, za ktorých sa bude jeden proteín selektívne zrážať v prítomnosti iných proteínov. Táto metóda „vysolenia“ sa široko používa na izoláciu a čistenie proteínov. Purifikovaný proteín sa často vyzráža z roztoku ako kryštály.

V porovnaní s inými zlúčeninami je molekulová hmotnosť proteínov veľmi veľká - od niekoľkých tisíc až po mnoho miliónov daltonov. Preto sa pri ultracentrifugácii proteíny zrážajú a navyše rôznou rýchlosťou. V dôsledku prítomnosti kladne a záporne nabitých skupín v molekulách proteínov sa v elektrickom poli pohybujú rôznymi rýchlosťami. Toto je základ elektroforézy, metódy používanej na izoláciu jednotlivých proteínov z komplexných zmesí. Čistenie proteínov sa tiež uskutočňuje chromatografiou.

CHEMICKÉ VLASTNOSTI Štruktúra. Proteíny sú polyméry, t.j. molekuly postavené ako reťazce z opakujúcich sa monomérnych jednotiek alebo podjednotiek, ktorých úlohu zohrávajú a -aminokyseliny. Všeobecný vzorec aminokyselín kde R - atóm vodíka alebo nejaká organická skupina.

Proteínová molekula (polypeptidový reťazec) môže pozostávať len z relatívne malého počtu aminokyselín alebo niekoľkých tisíc monomérnych jednotiek. Spojenie aminokyselín v reťazci je možné, pretože každá z nich má dve rôzne chemické skupiny: aminoskupinu so základnými vlastnosťami,

NH2 a kyslá karboxylová skupina, COOH. Obe tieto skupiny sú pridružené a - atóm uhlíka. Karboxylová skupina jednej aminokyseliny môže tvoriť amidovú (peptidovú) väzbu s aminoskupinou inej aminokyseliny:
Po spojení dvoch aminokyselín týmto spôsobom môže byť reťazec predĺžený pridaním tretej k druhej aminokyseline atď. Ako je možné vidieť z vyššie uvedenej rovnice, keď sa vytvorí peptidová väzba, uvoľní sa molekula vody. V prítomnosti kyselín, zásad alebo proteolytických enzýmov prebieha reakcia v opačnom smere: polypeptidový reťazec sa za prídavku vody štiepi na aminokyseliny. Táto reakcia sa nazýva hydrolýza. Hydrolýza prebieha spontánne a na spojenie aminokyselín do polypeptidového reťazca je potrebná energia.

Karboxylová skupina a amidová skupina (alebo jej podobná imidová skupina - v prípade aminokyseliny prolín) sú prítomné vo všetkých aminokyselinách, pričom rozdiely medzi aminokyselinami sú určené povahou tejto skupiny, resp. reťaz“, ktorá je označená vyššie písmenom

R . Úlohu bočného reťazca môže zohrávať jeden atóm vodíka, ako v aminokyseline glycín, alebo nejaká objemná skupina, ako v histidíne a tryptofáne. Niektoré bočné reťazce sú chemicky inertné, zatiaľ čo iné sú vysoko reaktívne.

Je možné syntetizovať mnoho tisíc rôznych aminokyselín a v prírode sa vyskytuje mnoho rôznych aminokyselín, ale na syntézu proteínov sa používa iba 20 typov aminokyselín: alanín, arginín, asparagín, kyselina asparágová, valín, histidín, glycín, glutamín, glutámová kyselina, izoleucín, leucín, lyzín, metionín, prolín, serín, tyrozín, treonín, tryptofán, fenylalanín a cysteín (v proteínoch môže byť cysteín prítomný ako dimér

– cystín). Pravda, v niektorých proteínoch sú okrem pravidelne sa vyskytujúcej dvadsiatky aj iné aminokyseliny, ktoré však vznikajú modifikáciou ktorejkoľvek z dvadsiatich uvedených po zaradení do proteínu.optická aktivita. Všetky aminokyseliny, s výnimkou glycínu, a Atóm uhlíka má pripojené štyri rôzne skupiny. Z hľadiska geometrie môžu byť štyri rôzne skupiny pripojené dvoma spôsobmi, a preto existujú dve možné konfigurácie alebo dva izoméry, ktoré sú navzájom spojené ako objekt k svojmu zrkadlovému obrazu, t.j. ako zľava doprava. Jedna konfigurácia sa nazýva ľavá alebo ľavá ( L ), a druhý - pravý alebo pravotočivý ( D ), pretože dva takéto izoméry sa líšia v smere rotácie roviny polarizovaného svetla. Nachádza sa len v bielkovinách L -aminokyseliny (výnimkou je glycín; môže byť zastúpený iba v jednej forme, pretože dve z jeho štyroch skupín sú rovnaké) a všetky majú optickú aktivitu (pretože existuje iba jeden izomér). D -aminokyseliny sú v prírode zriedkavé; nachádzajú sa v niektorých antibiotikách a bunkovej stene baktérií.Poradie aminokyselín. Aminokyseliny v polypeptidovom reťazci nie sú usporiadané náhodne, ale v určitom pevnom poradí a práve toto poradie určuje funkcie a vlastnosti proteínu. Zmenou poradia 20 druhov aminokyselín môžete získať obrovské množstvo rôznych proteínov, rovnako ako si môžete vytvoriť mnoho rôznych textov z písmen abecedy.

V minulosti trvalo určenie aminokyselinovej sekvencie proteínu často niekoľko rokov. Priame určovanie je stále dosť namáhavá úloha, aj keď boli vytvorené zariadenia, ktoré ho umožňujú vykonávať automaticky. Zvyčajne je jednoduchšie určiť nukleotidovú sekvenciu zodpovedajúceho génu a odvodiť z nej aminokyselinovú sekvenciu proteínu. K dnešnému dňu už boli určené aminokyselinové sekvencie mnohých stoviek proteínov. Funkcie dekódovaných proteínov sú zvyčajne známe, čo pomáha predstaviť si možné funkcie podobných proteínov vytvorených napríklad v malígnych novotvaroch.

Komplexné proteíny. Proteíny pozostávajúce iba z aminokyselín sa nazývajú jednoduché. Často je však k polypeptidovému reťazcu pripojený atóm kovu alebo nejaká chemická zlúčenina, ktorá nie je aminokyselinou. Takéto proteíny sa nazývajú komplexné. Príkladom je hemoglobín: obsahuje porfyrín železa, ktorý mu dodáva červenú farbu a umožňuje mu pôsobiť ako nosič kyslíka.

Názvy najkomplexnejších proteínov obsahujú označenie povahy pripojených skupín: cukry sú prítomné v glykoproteínoch, tuky v lipoproteínoch. Ak katalytická aktivita enzýmu závisí od pripojenej skupiny, potom sa nazýva protetická skupina. Často niektorý vitamín zohráva úlohu protetickej skupiny alebo je jej súčasťou. Napríklad vitamín A pripojený k jednému z proteínov sietnice určuje jeho citlivosť na svetlo.

Terciárna štruktúra. Dôležitá nie je ani tak sekvencia aminokyselín proteínu (primárna štruktúra), ale spôsob jeho uloženia v priestore. Po celej dĺžke polypeptidového reťazca tvoria vodíkové ióny pravidelné vodíkové väzby, ktoré mu dávajú tvar špirály alebo vrstvy (sekundárna štruktúra). Kombináciou takýchto helixov a vrstiev vzniká kompaktná forma nasledujúceho rádu - terciárna štruktúra proteínu. Okolo väzieb, ktoré držia monomérne články reťazca, sú možné rotácie v malých uhloch. Preto z čisto geometrického hľadiska je počet možných konfigurácií pre akýkoľvek polypeptidový reťazec nekonečne veľký. V skutočnosti každý proteín normálne existuje len v jednej konfigurácii, ktorá je určená jeho aminokyselinovou sekvenciou. Táto štruktúra nie je pevná, je taká, « dýcha“ – osciluje okolo určitej priemernej konfigurácie. Reťaz je poskladaná do konfigurácie, v ktorej je voľná energia (schopnosť konať prácu) minimálna, rovnako ako uvoľnená pružina je stlačená len do stavu zodpovedajúceho minimu voľnej energie. Často je jedna časť reťazca pevne spojená s iným disulfidom (- S–S–) väzby medzi dvoma cysteínovými zvyškami. To je čiastočne dôvod, prečo cysteín medzi aminokyselinami hrá obzvlášť dôležitú úlohu.

Zložitosť štruktúry proteínov je taká veľká, že zatiaľ nie je možné vypočítať terciárnu štruktúru proteínu, aj keď je známa jeho aminokyselinová sekvencia. Ale ak je možné získať kryštály proteínu, potom sa jeho terciárna štruktúra môže určiť pomocou röntgenovej difrakcie.

V štruktúrnych, kontraktilných a niektorých iných proteínoch sú reťazce predĺžené a niekoľko mierne zložených reťazcov ležiacich vedľa seba tvorí fibrily; fibrily sa zase skladajú do väčších útvarov – vlákien. Väčšina proteínov v roztoku je však guľovitá: reťazce sú zvinuté do guľôčky, ako priadza v klbku. Voľná ​​energia v tejto konfigurácii je minimálna, pretože hydrofóbne („vodu odpudzujúce“) aminokyseliny sú skryté vo vnútri globule, zatiaľ čo hydrofilné („vodu priťahujúce“) aminokyseliny sú na jej povrchu.

Mnohé proteíny sú komplexy niekoľkých polypeptidových reťazcov. Táto štruktúra sa nazýva kvartérna štruktúra proteínu. Molekula hemoglobínu sa napríklad skladá zo štyroch podjednotiek, z ktorých každá je globulárny proteín.

Štrukturálne proteíny vďaka svojej lineárnej konfigurácii tvoria vlákna, v ktorých je pevnosť v ťahu veľmi vysoká, zatiaľ čo globulárna konfigurácia umožňuje proteínom vstupovať do špecifických interakcií s inými zlúčeninami. Na povrchu globule sa pri správnom ukladaní reťazcov objavujú dutiny určitého tvaru, v ktorých sa nachádzajú reaktívne chemické skupiny. Ak je týmto proteínom enzým, potom sa do takejto dutiny dostane iná, zvyčajne menšia, molekula nejakej látky, rovnako ako kľúč do zámku; v tomto prípade sa vplyvom chemických skupín nachádzajúcich sa v dutine mení konfigurácia elektrónového oblaku molekuly a to ju núti reagovať určitým spôsobom. Týmto spôsobom enzým katalyzuje reakciu. Molekuly protilátok majú tiež dutiny, v ktorých sa viažu rôzne cudzie látky, a tým sa stávajú neškodnými. Model „kľúč a zámok“, ktorý vysvetľuje interakciu proteínov s inými zlúčeninami, umožňuje pochopiť špecifickosť enzýmov a protilátok, t.j. ich schopnosť reagovať len s určitými zlúčeninami.

Proteíny v rôznych typoch organizmov. Podobnú konfiguráciu majú aj proteíny, ktoré plnia rovnakú funkciu v rôznych rastlinných a živočíšnych druhoch, a preto nesú rovnaký názov. Trochu sa však líšia v sekvencii aminokyselín. Keď sa druhy odchyľujú od spoločného predka, niektoré aminokyseliny v určitých polohách sú nahradené mutáciami s inými. Škodlivé mutácie, ktoré spôsobujú dedičné choroby, sú prirodzeným výberom vyradené, ale prospešné alebo aspoň neutrálne môžu byť zachované. Čím bližšie sú dva biologické druhy k sebe, tým menšie rozdiely sa nachádzajú v ich proteínoch.

Niektoré proteíny sa menia pomerne rýchlo, iné sú dosť konzervatívne. K tým druhým patrí napríklad cytochróm s- respiračný enzým nachádzajúci sa vo väčšine živých organizmov. U ľudí a šimpanzov sú jeho aminokyselinové sekvencie identické a v cytochróme s pšenice, len 38 % aminokyselín sa ukázalo byť odlišných. Dokonca aj pri porovnaní ľudí a baktérií, podobnosť cytochrómov s(rozdiely tu ovplyvňujú 65% aminokyselín) je stále vidieť, hoci spoločný predok baktérií a ľudí žil na Zemi asi pred dvoma miliardami rokov. V súčasnosti sa porovnávanie aminokyselinových sekvencií často používa na vytvorenie fylogenetického (genealogického) stromu, ktorý odráža evolučné vzťahy medzi rôznymi organizmami.

Denaturácia. Syntetizovaná molekula proteínu, skladanie, získava svoju vlastnú konfiguráciu. Táto konfigurácia však môže byť zničená zahrievaním, zmenou pH, pôsobením organických rozpúšťadiel a dokonca jednoduchým miešaním roztoku, kým sa na jeho povrchu neobjavia bubliny. Takto pozmenený proteín sa nazýva denaturovaný; stráca svoju biologickú aktivitu a zvyčajne sa stáva nerozpustným. Známe príklady denaturovaných bielkovín sú varené vajcia alebo šľahačka. Malé bielkoviny, obsahujúce len asi sto aminokyselín, sú schopné renaturácie, t.j. znovu získať pôvodnú konfiguráciu. Ale väčšina proteínov sa jednoducho transformuje na množstvo zamotaných polypeptidových reťazcov a neobnoví svoju predchádzajúcu konfiguráciu.

Jednou z hlavných ťažkostí pri izolácii aktívnych proteínov je ich extrémna citlivosť na denaturáciu. Táto vlastnosť proteínov nachádza užitočné uplatnenie pri konzervácii potravinárskych výrobkov: vysoká teplota nevratne denaturuje enzýmy mikroorganizmov a mikroorganizmy odumierajú.

SYNTÉZY BIELKOVÍN Pre syntézu bielkovín musí mať živý organizmus systém enzýmov schopných viazať jednu aminokyselinu na druhú. Potrebný je aj zdroj informácií, ktorý by určil, ktoré aminokyseliny by mali byť spojené. Keďže v tele existujú tisíce druhov bielkovín a každý z nich pozostáva v priemere z niekoľkých stoviek aminokyselín, požadované informácie musia byť skutočne obrovské. Je uložený (podobne ako záznam na magnetickej páske) v molekulách nukleových kyselín, ktoré tvoria gény. Cm . aj DEDIČSTVO; NUKLEOVÉ KYSELINY.Aktivácia enzýmov. Polypeptidový reťazec syntetizovaný z aminokyselín nie je vždy proteínom vo svojej konečnej forme. Mnohé enzýmy sa najskôr syntetizujú ako neaktívne prekurzory a stanú sa aktívnymi až potom, čo iný enzým odstráni niekoľko aminokyselín z jedného konca reťazca. Niektoré z tráviacich enzýmov, ako je trypsín, sú syntetizované v tejto neaktívnej forme; tieto enzýmy sa aktivujú v tráviacom trakte v dôsledku odstránenia koncového fragmentu reťazca. Hormón inzulín, ktorého molekula v aktívnej forme pozostáva z dvoch krátkych reťazcov, sa syntetizuje vo forme jedného reťazca, tzv. proinzulín. Potom sa odstráni stredná časť tohto reťazca a zvyšné fragmenty sa navzájom viažu a vytvárajú aktívnu molekulu hormónu. Komplexné bielkoviny vznikajú až po naviazaní určitej chemickej skupiny na bielkovinu a toto pripojenie často vyžaduje aj enzým.Metabolický obeh. Po kŕmení zvieraťa aminokyselinami označenými rádioaktívnymi izotopmi uhlíka, dusíka alebo vodíka sa značka rýchlo začlení do jeho bielkovín. Ak označené aminokyseliny prestanú vstúpiť do tela, množstvo označenia v proteínoch začne klesať. Tieto experimenty ukazujú, že výsledné bielkoviny sa v tele neukladajú až do konca života. Všetky, až na pár výnimiek, sú v dynamickom stave, neustále sa rozkladajú na aminokyseliny a následne sa znovu syntetizujú.

Niektoré proteíny sa rozkladajú, keď bunky odumierajú a sú zničené. To sa deje neustále, napríklad s červenými krvinkami a epitelovými bunkami, ktoré lemujú vnútorný povrch čreva. Okrem toho v živých bunkách dochádza aj k rozkladu a resyntéze bielkovín. Napodiv, o rozklade bielkovín sa vie menej ako o ich syntéze. Čo je však jasné, na rozklade sa podieľajú proteolytické enzýmy, podobné tým, ktoré v tráviacom trakte rozkladajú bielkoviny na aminokyseliny.

Polčas rozpadu rôznych proteínov je rôzny – od niekoľkých hodín až po mnoho mesiacov. Jedinou výnimkou sú molekuly kolagénu. Po vytvorení zostávajú stabilné a neobnovujú sa ani nevymieňajú. Postupom času sa však niektoré ich vlastnosti, najmä elasticita, menia, a keďže sa neobnovujú, výsledkom sú určité zmeny súvisiace s vekom, ako napríklad vznik vrások na pokožke.

syntetické proteíny. Chemici sa už dávno naučili polymerizovať aminokyseliny, ale aminokyseliny sa kombinujú náhodne, takže produkty takejto polymerizácie sa len málo podobajú na prírodné. Je pravda, že je možné kombinovať aminokyseliny v danom poradí, čo umožňuje získať niektoré biologicky aktívne bielkoviny, najmä inzulín. Proces je pomerne komplikovaný a týmto spôsobom je možné získať len tie proteíny, ktorých molekuly obsahujú asi sto aminokyselín. Namiesto toho je výhodné syntetizovať alebo izolovať nukleotidovú sekvenciu génu zodpovedajúceho požadovanej aminokyselinovej sekvencii a potom zaviesť tento gén do baktérie, ktorá bude produkovať replikáciou veľké množstvo požadovaného produktu. Táto metóda má však aj svoje nevýhody. Cm . Pozri tiež GENETICKÉ INŽINIERSTVO. BIELKOVINY A VÝŽIVA Keď sa bielkoviny v tele rozložia na aminokyseliny, tieto aminokyseliny sa môžu opätovne použiť na syntézu bielkovín. Zároveň samotné aminokyseliny podliehajú rozkladu, takže nie sú plne využité. Je tiež jasné, že počas rastu, tehotenstva a hojenia rán musí syntéza bielkovín prevýšiť degradáciu. Telo neustále stráca niektoré bielkoviny; sú to bielkoviny vlasov, nechtov a povrchovej vrstvy kože. Preto pre syntézu bielkovín musí každý organizmus prijímať aminokyseliny z potravy. Zelené rastliny sú syntetizované z CO 2 , voda a amoniak alebo dusičnany sú všetkých 20 aminokyselín nachádzajúcich sa v bielkovinách. Mnohé baktérie sú tiež schopné syntetizovať aminokyseliny v prítomnosti cukru (alebo nejakého ekvivalentu) a fixovaného dusíka, ale cukor je nakoniec dodávaný zelenými rastlinami. U zvierat je schopnosť syntetizovať aminokyseliny obmedzená; aminokyseliny získavajú jedením zelených rastlín alebo iných živočíchov. V tráviacom trakte sa vstrebané bielkoviny rozložia na aminokyseliny, tie sa vstrebú a vybudujú sa z nich bielkoviny charakteristické pre daný organizmus. Žiadna z absorbovaných bielkovín nie je začlenená do telesných štruktúr ako takých. Jedinou výnimkou je, že u mnohých cicavcov môže časť materských protilátok prejsť neporušená cez placentu do fetálneho obehu a materským mliekom (najmä u prežúvavcov) sa preniesť na novorodenca hneď po narodení.Potreba bielkovín. Je jasné, že na udržanie života musí telo prijímať určité množstvo bielkovín z potravy. Veľkosť tejto potreby však závisí od množstva faktorov. Telo potrebuje potravu ako zdroj energie (kalórií) aj ako materiál na stavbu svojich štruktúr. Na prvom mieste je potreba energie. To znamená, že keď je v strave málo uhľohydrátov a tukov, bielkoviny z potravy sa nevyužívajú na syntézu vlastných bielkovín, ale ako zdroj kalórií. Pri dlhotrvajúcom pôste sa dokonca aj vaše vlastné bielkoviny míňajú na uspokojenie energetických potrieb. Ak je v strave dostatok sacharidov, potom je možné znížiť príjem bielkovín.dusíková bilancia. V priemere cca. 16 % z celkovej hmotnosti bielkovín tvorí dusík. Pri rozklade aminokyselín, ktoré tvoria bielkoviny, sa dusík v nich obsiahnutý vylučuje z tela močom a (v menšej miere) stolicou vo forme rôznych dusíkatých zlúčenín. Preto je vhodné na posúdenie kvality bielkovinovej výživy použiť taký ukazovateľ, akým je dusíková bilancia, t.j. rozdiel (v gramoch) medzi množstvom dusíka prijatého do tela a množstvom dusíka vylúčeného za deň. Pri normálnej výžive u dospelého človeka sú tieto množstvá rovnaké. V rastúcom organizme je množstvo vylúčeného dusíka menšie ako množstvo prichádzajúceho, t.j. bilancia je kladná. Pri nedostatku bielkovín v strave je bilancia negatívna. Ak je v strave dostatok kalórií, no bielkoviny v nej úplne chýbajú, telo bielkovinami šetrí. Zároveň sa spomaľuje metabolizmus bielkovín a reutilizácia aminokyselín pri syntéze bielkovín prebieha čo najefektívnejšie. Straty sú však nevyhnutné a dusíkaté zlúčeniny sa stále vylučujú močom a čiastočne aj stolicou. Množstvo dusíka vylúčeného z tela za deň počas proteínového hladovania môže slúžiť ako miera denného nedostatku bielkovín. Je prirodzené predpokladať, že zavedením množstva bielkovín ekvivalentných tomuto nedostatku do stravy je možné obnoviť dusíkovú rovnováhu. Avšak nie je. Po prijatí tohto množstva bielkovín telo začne využívať aminokyseliny menej efektívne, takže na obnovenie dusíkovej rovnováhy je potrebný ďalší proteín.

Ak množstvo bielkovín v strave presahuje to, čo je potrebné na udržanie dusíkovej rovnováhy, zdá sa, že z toho nie je žiadna škoda. Prebytočné aminokyseliny sa jednoducho využívajú ako zdroj energie. Obzvlášť nápadným príkladom sú Eskimáci, ktorí konzumujú málo sacharidov a asi desaťkrát viac bielkovín, ako je potrebné na udržanie dusíkovej rovnováhy. Vo väčšine prípadov však používanie bielkovín ako zdroja energie nie je prospešné, pretože z daného množstva sacharidov môžete získať oveľa viac kalórií ako z rovnakého množstva bielkovín. V chudobných krajinách prijíma obyvateľstvo potrebné kalórie zo sacharidov a prijíma minimálne množstvo bielkovín.

Ak telo prijíma potrebný počet kalórií vo forme nebielkovinových produktov, tak minimálne množstvo bielkovín, ktoré udrží dusíkovú bilanciu, je cca. 30 g denne. Približne toľko bielkovín obsahujú štyri krajce chleba alebo 0,5 litra mlieka. O niečo väčšie množstvo sa zvyčajne považuje za optimálne; odporúča sa od 50 do 70 g.

Esenciálne aminokyseliny. Až doteraz sa proteín považoval za celok. Medzitým, aby prebehla syntéza bielkovín, musia byť v tele prítomné všetky potrebné aminokyseliny. Niektoré z aminokyselín je telo zvieraťa schopné samo syntetizovať. Nazývajú sa zameniteľné, keďže nemusia byť prítomné v strave – dôležité je len to, aby vo všeobecnosti postačoval príjem bielkovín ako zdroja dusíka; potom pri nedostatku neesenciálnych aminokyselín ich telo dokáže syntetizovať na úkor tých, ktoré sú prítomné v nadbytku. Zvyšné „esenciálne“ aminokyseliny sa nedajú syntetizovať a musia sa prijímať s jedlom. Pre ľudí sú nevyhnutné valín, leucín, izoleucín, treonín, metionín, fenylalanín, tryptofán, histidín, lyzín a arginín. (Aj keď si arginín dokáže telo syntetizovať, považuje sa za esenciálnu aminokyselinu, pretože novorodenci a rastúce deti ho produkujú v nedostatočnom množstve. Na druhej strane pre človeka v zrelšom veku je príjem niektorých z týchto aminokyselín z potravy môže byť voliteľné.)

Tento zoznam esenciálnych aminokyselín je približne rovnaký u iných stavovcov a dokonca aj u hmyzu. Výživová hodnota bielkovín sa zvyčajne určuje ich podávaním rastúcim potkanom a sledovaním prírastku hmotnosti zvierat.

Nutričná hodnota bielkovín. Nutričná hodnota proteínu je určená esenciálnou aminokyselinou, ktorá je najviac deficitná. Ilustrujme si to na príklade. Bielkoviny nášho tela obsahujú v priemere cca. 2 % tryptofánu (podľa hmotnosti). Povedzme, že strava obsahuje 10 g bielkovín s obsahom 1% tryptofánu a že je v nej dostatok iných esenciálnych aminokyselín. V našom prípade je 10 g tohto defektného proteínu v podstate ekvivalentných 5 g kompletného proteínu; zvyšných 5 g môže slúžiť len ako zdroj energie. Všimnite si, že keďže aminokyseliny sa v tele prakticky neukladajú a na to, aby mohla prebiehať syntéza bielkovín, musia byť prítomné všetky aminokyseliny súčasne, účinok príjmu esenciálnych aminokyselín možno zistiť len vtedy, ak sa všetky dostanú do telo zároveň.. Priemerné zloženie väčšiny živočíšnych bielkovín je blízke priemernému zloženiu bielkovín v ľudskom tele, takže je nepravdepodobné, že budeme čeliť nedostatku aminokyselín, ak je naša strava bohatá na potraviny ako mäso, vajcia, mlieko a syry. Existujú však bielkoviny, napríklad želatína (produkt denaturácie kolagénu), ktoré obsahujú veľmi málo esenciálnych aminokyselín. Rastlinné bielkoviny, hoci sú v tomto zmysle lepšie ako želatína, sú tiež chudobné na esenciálne aminokyseliny; najmä málo v nich lyzín a tryptofán. Čisto vegetariánska strava však v žiadnom prípade nie je nezdravá, pokiaľ nekonzumuje o niečo väčšie množstvo rastlinných bielkovín, postačujúcich na to, aby telu dodali esenciálne aminokyseliny. Najviac bielkovín sa nachádza v rastlinách v semenách, najmä v semenách pšenice a rôznych strukovín. Mladé výhonky, napríklad špargľa, sú tiež bohaté na bielkoviny.Syntetické bielkoviny v strave. Pridaním malého množstva syntetických esenciálnych aminokyselín alebo bielkovín na ne bohatých k neplnohodnotným bielkovinám, ako sú kukuričné ​​bielkoviny, možno výrazne zvýšiť ich nutričnú hodnotu, t.j. čím sa zvyšuje množstvo spotrebovaných bielkovín. Ďalšou možnosťou je pestovanie baktérií alebo kvasiniek na ropných uhľovodíkoch s prídavkom dusičnanov alebo amoniaku ako zdroja dusíka. Takto získaná mikrobiálna bielkovina môže slúžiť ako krmivo pre hydinu alebo hospodárske zvieratá, alebo ju môžu ľudia priamo konzumovať. Tretia, široko používaná metóda využíva fyziológiu prežúvavcov. U prežúvavcov sa v počiatočnom úseku žalúdka, tzv. V bachore sa nachádzajú špeciálne formy baktérií a prvokov, ktoré premieňajú defektné rastlinné bielkoviny na kompletnejšie mikrobiálne bielkoviny a tie sa po strávení a vstrebaní zase menia na živočíšne bielkoviny. Močovina, lacná syntetická zlúčenina obsahujúca dusík, sa môže pridávať do krmiva pre hospodárske zvieratá. Mikroorganizmy žijúce v bachore využívajú močovinový dusík na premenu sacharidov (ktorých je v krmive oveľa viac) na bielkoviny. Asi tretina všetkého dusíka v krmive pre hospodárske zvieratá môže pochádzať vo forme močoviny, čo v podstate znamená do určitej miery chemickú syntézu bielkovín. V USA hrá táto metóda dôležitú úlohu ako jeden zo spôsobov získavania bielkovín.LITERATÚRA Murray R, Grenner D, Meyes P, Rodwell W. biochémia človeka, tt. 1–2. M., 1993
Alberts B., Bray D., Lewis J. a kol. Molekulárna biológia bunky, tt. 1–3. M., 1994

Predtým, ako hovoríme o vlastnostiach bielkovín, stojí za to dať krátka definícia k tomuto konceptu. Ide o vysokomolekulárne organické látky, ktoré pozostávajú z alfa-aminokyselín spojených peptidovou väzbou. Bielkoviny sú dôležitou súčasťou výživy ľudí a zvierat, keďže nie všetky aminokyseliny si telo produkuje – niektoré pochádzajú z potravy. Aké sú ich vlastnosti a funkcie?

Amfoterný

Toto je prvá vlastnosť bielkovín. Amfotérne sa vzťahuje na ich schopnosť prejavovať kyslé aj zásadité vlastnosti.

Proteíny majú vo svojej štruktúre niekoľko typov chemických skupín, ktoré sú schopné ionizovať v roztoku H 2 O. Patria sem:

• karboxylové zvyšky. Presnejšie kyseliny glutámové a asparágové.
• skupiny obsahujúce dusík.ε-aminoskupina lyzínu, arginínový zvyšok CNH(NH 2) a imidazolový zvyšok heterocyklickej alfa-aminokyseliny nazývanej histidín.

Každý proteín má takú vlastnosť, ako je izoelektrický bod. Tento pojem sa chápe ako kyslosť média, pri ktorej povrch alebo molekula nemá č nabíjačka. Za takýchto podmienok je hydratácia proteínov a ich rozpustnosť minimalizovaná.

Indikátor je určený pomerom zásaditých a kyslých aminokyselinových zvyškov. V prvom prípade bod pripadá na alkalickú oblasť. V druhej - kyslé.

Rozpustnosť

Podľa tejto vlastnosti sú proteíny rozdelené do malej klasifikácie. Toto sú:

• Rozpustný. Nazývajú sa albumíny. Sú ťažko rozpustné v koncentrovaných soľných roztokoch a pri zahrievaní sa koagulujú. Táto reakcia sa nazýva denaturácia. Molekulová hmotnosť albumínov je asi 65 000. Neobsahujú sacharidy. A látky, ktoré pozostávajú z albumínu, sa nazývajú albuminoidy. Patrí medzi ne vaječný bielok, semená rastlín a krvné sérum.
• nerozpustný. Nazývajú sa skleroproteíny. Pozoruhodným príkladom je keratín, fibrilárny proteín s mechanickou pevnosťou na druhom mieste po chitíne. Z tejto látky sa skladajú nechty, vlasy, vtáčie zobáky a perie, ako aj rohy nosorožcov. Do tejto skupiny proteínov patria aj cytokeratíny. Toto je štrukturálny materiál intracelulárnych filamentov cytoskeletu epitelových buniek. Ďalším nerozpustným proteínom je fibrilárny proteín nazývaný fibroín.
• hydrofilné. Aktívne interagujú s vodou a absorbujú ju. Patria sem proteíny medzibunkovej látky, jadra a cytoplazmy. Vrátane notoricky známeho fibroínu a keratínu.
• hydrofóbne. Odpudzujú vodu. Patria sem proteíny, ktoré sú súčasťou biologických membrán.

Denaturácia

Tak sa nazýva proces modifikácie molekuly proteínu pod vplyvom určitých destabilizačných faktorov. Sekvencia aminokyselín zostáva rovnaká. Ale bielkoviny strácajú svoje prirodzené vlastnosti (hydrofilnosť, rozpustnosť a iné).

Treba poznamenať, že akákoľvek významná zmena vonkajších podmienok môže viesť k porušeniu proteínových štruktúr. Najčastejšie je denaturácia vyvolaná zvýšením teploty, ako aj účinkom alkálií, silných kyselín, žiarenia, solí ťažkých kovov a dokonca aj určitých rozpúšťadiel na proteín.

Je zaujímavé, že denaturácia často vedie k tomu, že proteínové častice sú agregované do väčších. Typickým príkladom sú miešané vajíčka. Koniec koncov, každý je oboznámený s tým, ako sa v procese vyprážania tvorí proteín z priehľadnej tekutiny.

Mali by ste tiež hovoriť o takom fenoméne, ako je renaturácia. Tento proces je opakom denaturácie. Počas nej sa bielkoviny vracajú do svojej prirodzenej štruktúry. A je to naozaj možné. Skupina chemikov z USA a Austrálie našla spôsob, ako zregenerovať natvrdo uvarené vajce. Zaberie to len pár minút. A to bude vyžadovať močovinu (diamid kyseliny uhličitej) a odstreďovanie.

Štruktúra

Treba to povedať samostatne, keďže hovoríme o dôležitosti bielkovín. Celkovo existujú štyri úrovne štrukturálnej organizácie:

• Primárny. Je myslená sekvencia aminokyselinových zvyškov v polypeptidovom reťazci. Hlavná prednosť sú konzervatívne motívy. Ide o stabilné kombinácie aminokyselinových zvyškov. Nachádzajú sa v mnohých zložitých a jednoduchých proteínoch.
• Sekundárne. To sa týka usporiadania nejakého lokálneho fragmentu polypeptidového reťazca, ktorý je stabilizovaný vodíkovými väzbami.
• treťohorný. Toto je priestorová štruktúra polypeptidového reťazca. Táto úroveň pozostáva z niektorých sekundárnych prvkov (sú stabilizované rôznymi typmi interakcií, pričom najdôležitejšie sú hydrofóbne). Tu sa na stabilizácii podieľajú iónové, vodíkové, kovalentné väzby.
• Kvartér. Nazýva sa aj doména alebo podjednotka. Táto úroveň pozostáva zo vzájomného usporiadania polypeptidových reťazcov ako súčasti celého proteínového komplexu. Je zaujímavé, že proteíny s kvartérnou štruktúrou zahŕňajú nielen identické, ale aj rôzne reťazce polypeptidov.

Toto rozdelenie navrhol dánsky biochemik K. Lindstrom-Lang. A aj keď sa považuje za zastaraný, stále ho používajú.

Typy budov

Keď už hovoríme o vlastnostiach bielkovín, treba tiež poznamenať, že tieto látky sú rozdelené do troch skupín podľa typu štruktúry. menovite:

• fibrilárne proteíny. Majú vláknitú predĺženú štruktúru a veľkú molekulovú hmotnosť. Väčšina z nich je nerozpustná vo vode. Štruktúra týchto proteínov je stabilizovaná interakciami medzi polypeptidovými reťazcami (pozostávajú aspoň z dvoch aminokyselinových zvyškov). Sú to fibrilárne látky, ktoré tvoria polymér, fibrily, mikrotubuly a mikrofilamenty.
• globulárne proteíny. Typ štruktúry určuje ich rozpustnosť vo vode. A všeobecný tvar molekuly je sférický.
• membránové proteíny.Štruktúra týchto látok má zaujímavú vlastnosť. Majú domény, ktoré prechádzajú cez bunkovú membránu, ale ich časti vyčnievajú do cytoplazmy a extracelulárneho prostredia. Tieto proteíny plnia úlohu receptorov – prenášajú signály a sú zodpovedné za transmembránový transport živiny. Je dôležité poznamenať, že sú veľmi špecifické. Každý proteín prechádza len určitou molekulou alebo signálom.

Jednoduché

Môžete o nich povedať aj niečo viac. Jednoduché proteíny pozostávajú iba z reťazcov polypeptidov. Tie obsahujú:

• Protamín. Jadrový proteín s nízkou molekulovou hmotnosťou. Jeho prítomnosť je ochranou DNA pred pôsobením nukleáz – enzýmov, ktoré napádajú nukleové kyseliny.
• Históny. Silne zásadité jednoduché bielkoviny. Sú sústredené v jadrách rastlinných a živočíšnych buniek. Zúčastňujú sa na „balení“ reťazcov DNA v jadre a tiež na procesoch, ako je oprava, replikácia a transkripcia.
• albumíny. Už boli spomenuté vyššie. Najznámejšie albumíny sú sérum a vajíčko.
• Globulín. Podieľa sa na zrážaní krvi, ako aj na iných imunitných reakciách.
• Prolamíny. Ide o zásobné bielkoviny obilnín. Ich mená sú vždy iné. V pšenici sa nazývajú ptyalíny. Jačmeň má hordeíny. Ovos má avsniny. Je zaujímavé, že prolamíny sú rozdelené do vlastných tried proteínov. Sú len dve: S-bohaté (s obsahom síry) a S-chudobné (bez nej).

Komplexné

A čo komplexné bielkoviny? Obsahujú protetické skupiny alebo skupiny bez aminokyselín. Tie obsahujú:

• Glykoproteíny. Obsahujú sacharidové zvyšky s kovalentnou väzbou. Tieto komplexné proteíny sú najdôležitejšou štruktúrnou zložkou bunkových membrán. Zahŕňajú aj mnohé hormóny. A glykoproteíny membrán erytrocytov určujú krvnú skupinu.
• Lipoproteíny. Pozostávajú z lipidov (látok podobných tuku) a zohrávajú úlohu „prepravy“ týchto látok v krvi.
• Metaloproteíny. Tieto bielkoviny v tele sú veľkú hodnotu, keďže bez nich výmena železa neprebieha. Ich molekuly obsahujú ióny kovov. Typickými predstaviteľmi tejto triedy sú transferín, hemosiderín a feritín.
• Nukleoproteíny. Pozostávajú z RKN a DNA, ktoré nemajú kovalentná väzba. Výrazným predstaviteľom je chromatín. Práve v jeho zložení sa realizuje genetická informácia, opravuje a replikuje sa DNA.
• Fosfoproteíny. Sú to kovalentne viazané zvyšky kyseliny fosforečnej. Príkladom je kazeín, ktorý sa pôvodne nachádza v mlieku ako vápenatá soľ (vo viazanej forme).
• Chromoproteíny. Majú jednoduchú štruktúru: proteín a farebnú zložku patriacu do skupiny protetík. Podieľajú sa na bunkovom dýchaní, fotosyntéze, redoxných reakciách atď. Bez chromoproteínov tiež nedochádza k akumulácii energie.

Metabolizmus

O fyzikálno-chemických vlastnostiach proteínov už bolo povedané veľa. Treba spomenúť aj ich úlohu v metabolizme.

Existujú aminokyseliny, ktoré sú nevyhnutné, pretože nie sú syntetizované živými organizmami. Samotné cicavce ich získavajú z potravy. V procese jeho trávenia sa proteín ničí. Tento proces začína denaturáciou, keď sa umiestni do kyslého prostredia. Potom - hydrolýza, na ktorej sa podieľajú enzýmy.

Určité aminokyseliny, ktoré telo nakoniec dostane, sa podieľajú na procese syntézy bielkovín, ktorých vlastnosti sú nevyhnutné pre jeho plnú existenciu. A zvyšok sa spracuje na glukózu – monosacharid, ktorý je jedným z hlavných zdrojov energie. Bielkoviny sú veľmi dôležité z hľadiska diét či hladovania. Ak neprichádza s jedlom, telo sa začne „žrať samo“ – spracovávať vlastné bielkoviny, najmä svalové.

Biosyntéza

Vzhľadom na fyzikálno-chemické vlastnosti proteínov je potrebné zamerať sa na takú tému, ako je biosyntéza. Tieto látky vznikajú na základe informácií, ktoré sú zakódované v génoch. Akýkoľvek proteín je jedinečná sekvencia aminokyselinových zvyškov určená génom, ktorý ho kóduje.

Ako sa to stane? Gén kódujúci proteín prenáša informácie z DNA do RNA. Toto sa nazýva transkripcia. Vo väčšine prípadov potom k syntéze dochádza na ribozómoch – to je najdôležitejšia organela živej bunky. Tento proces sa nazýva preklad.

Existuje aj takzvaná neribozomálna syntéza. Za zmienku tiež stojí, keďže hovoríme o dôležitosti bielkovín. Tento typ syntézy sa pozoruje u niektorých baktérií a nižších húb. Proces sa uskutočňuje prostredníctvom proteínového komplexu s vysokou molekulovou hmotnosťou (známeho ako NRS syntáza) a ribozómy sa na ňom nezúčastňujú.

A, samozrejme, existuje aj chemická syntéza. Môže sa použiť na syntézu krátkych proteínov. Na tento účel sa používajú metódy, ako je chemická ligácia. Ide o opak notoricky známej biosyntézy na ribozómoch. Rovnaký spôsob možno použiť na získanie inhibítorov určitých enzýmov.

Navyše, vďaka chemickej syntéze je možné zaviesť do zloženia bielkovín tie aminokyselinové zvyšky, ktoré sa v bežných látkach nenachádzajú. Povedzme tie, ktorých bočné reťazce majú fluorescenčné značky.

Stojí za zmienku, že metódy chemickej syntézy nie sú dokonalé. Existujú určité obmedzenia. Ak proteín obsahuje viac ako 300 zvyškov, potom umelo syntetizovaná látka pravdepodobne získa nesprávnu štruktúru. A to ovplyvní vlastnosti.

Látky živočíšneho pôvodu

Ich zváženiu by sa mala venovať osobitná pozornosť. Živočíšna bielkovina je látka nachádzajúca sa vo vajciach, mäse, mliečnych výrobkoch, hydine, morských plodoch a rybách. Obsahujú všetky aminokyseliny potrebné pre telo, vrátane 9 esenciálnych. Tu je niekoľko najdôležitejších funkcií, ktoré živočíšne bielkoviny vykonávajú:

• Katalýza mnohých chemických reakcií. Táto látka ich spúšťa a urýchľuje. Za to sú „zodpovedné“ enzymatické proteíny. Ak sa ich do tela nedostane dostatočné množstvo, neprebehne naplno oxidácia a redukcia, spájanie a rušenie molekulárnych väzieb, ako aj transport látok. Je zaujímavé, že len malá časť aminokyselín vstupuje do rôznych druhov interakcií. A ešte menšie množstvo (3-4 zvyšky) sa priamo podieľa na katalýze. Všetky enzýmy sú rozdelené do šiestich tried – oxidoreduktázy, transferázy, hydrolázy, lyázy, izomerázy, ligázy. Každý z nich je zodpovedný za konkrétnu reakciu.
• Tvorba cytoskeletu, ktorý tvorí štruktúru buniek.
• Imunitná, chemická a fyzická ochrana.
• Transport dôležitých zložiek potrebných pre rast a vývoj buniek.
• Prenos elektrických impulzov, ktoré sú dôležité pre fungovanie celého organizmu, pretože bez nich nie je možná interakcia buniek.

A to nie sú všetky možné funkcie. Ale aj tak je význam týchto látok jasný. Syntéza bielkovín v bunkách a v tele je nemožná, ak človek neje jej zdroje. A sú to morčacie mäso, hovädzie, jahňacie, králičie mäso. Veľa bielkovín sa nachádza vo vajciach, kyslej smotane, jogurte, tvarohu, mlieku. Syntézu bielkovín v bunkách tela môžete aktivovať aj pridaním šunky, vnútorností, klobásy, duseného a teľacieho mäsa do stravy.