С полным основанием можно утверждать, что белки — самые важные из всех веществ, входящих в состав животных и растений. В клетках белки могут или находиться в виде отдельных молекул, обычно характеризующихся очень большой молекулярной массой (примерно от десяти тысяч до нескольких миллионов), или входить в состав сетчатых структур, образующих основу клеток. В организме человека содержатся тысячи разнообразных белков, обладающих разным строением, вследствие чего они способны выполнять специфические функции.
Все белки — азотсодержащие вещества, в состав которых входят примерно 16% азота, а также углерод, водород, кислород и часто другие элементы, такие, как сера, фосфор, железо (молекула гемоглобина, например, содержит четыре атома железа) и медь.
Структурообразующие белки тела человека называют фибриллярными белками (или волокнистыми, они имеют вытянутую, нитеобразную форму). Важнейшие фибриллярные белки животных — это кератин и коллаген; белок кератин входит в состав волос, ногтей, мышц, рогов, игл и перьев; коллаген — структурный компонент сухожилий, кожи, костей, соединительной ткани. При кипячении коллаген гидролизуется и образует растворимый в воде белок, называемый желатиной. В теле человека имеются растворимые белки, именуемые глобулярными белками. Альбумины, такие, как сывороточный альбумин, получаемый из крови животных, овальбумин яичного белка, лактальбумин молока, растворяются в холодной воде и слабом растворе соли. Глобулины, например глобулины плазмы крови, фибриноген, глобулин яичного белка, глобулин молока, растворяются в разбавленных растворах солей, но не в холодной воде.
Аминокислоты
При нагревании в кислых или щелочных растворах белки подвергаются гидролизу с образованием веществ, называемых аминокислотами. Аминокислоты представляют собой карбоновые кислоты, в которых один атом водорода замещен аминогруппой —NН2. Аминокислоты, получаемые из белков, имеют альфа-аминогруппу, присоединенную к атому углерода, связанному с карбоксильной группой; их называют α-аминокислотами (так как такой атом углерода называется α-атомом углерода). Простейшей из этих аминокислот является α-аминоуксусная кислота— глицин СН2(NН2)СООН. Другие природные аминокислоты, в молекулах которых один из атомов водорода у α-атома углерода замещен на ту или иную группу, обычно обозначаемую R, имеют общую формулу СНR(NН2)СООН.
Аминогруппа имеет явно выраженный основной характер, а карбоксильная группа — кислый, так что в водном растворе протон карбоксильной группы переходит к аминогруппе. В результате карбоксильная группа превращается в ион карбоксила, а аминогруппа — в замещенный ион аммония. В соответствии с этим строение глицина и других аминокислот в водном растворе можно представить следующим образом:
Амино- и карбоксильные группы большинства аминокислот, растворенных в жидкостях организма животных или растений (а эти жидкости обычно имеют pH ~7), внутренне ионизированы так, что группы аммонийного и карбоксильного ионов образуются в одной и той же молекуле.
Установлено, что важными составляющими белков являются двадцать три аминокислоты. Названия этих кислот приведены в табл. 14.1; там же указаны формулы характеристических групп R. Некоторые аминокислоты имеют дополнительную карбоксильную группу или дополнительную аминогруппу. Так, имеется двухосновная диаминокислота — цистин, очень близкая к простой аминокислоте цистеину. Четыре из указанных в таблице аминокислот содержат гетероциклические кольца (кольца, состоящие из атомов углерода и одного или нескольких атомов других элементов, в данном случае атомов азота). Две из приведенных аминокислот — аспарагин и глутамин — родственны двум другим — аспарагиновой и глутаминовой кислотам, от которых аспарагин и глутамин отличаются только тем, что имеют вместо дополнительной карбоксильной группы амидную группу
Белки — важная составная часть пищи. Они перевариваются под действием пищеварительных соков в желудочно-кишечном тракте, расщепляясь в процессе пищеварения на небольшие молекулы, главным образом, по-видимому, на молекулы аминокислот. Такие небольшие молекулы способны проникать через стенки желудка и кишечника в кровь; ток крови переносит их к различным тканям организма, где они служат исходными веществами для синтеза специфичных белков, необходимых данному организму. В некоторых случаях больным, организм которых неудовлетворительно усваивает пищу, вводят непосредственно в кровь питательные вещества в виде раствора аминокислот. Необходимый для этого раствор аминокислот обычно получают гидролизом белков.
Правые и левые формы молекул аминокислот
В разд. 6.4 уже указывалось, что некоторые вещества существуют в двух изомерных (энантиомерных) формах, называемых L-(левой) и D-(правой) формами, молекулы которых соотносятся как объекты и их зеркальные изображения. По две таких формы имеются у всех аминокислот (исключение составляет глицин); они отличаются пространственным расположением четырех групп, связанных с α-атомом углерода. На рис. 14.1 приведено два энантиомера аминокислоты аланина, в которой R — метильная группа СН3.
Чрезвычайно поразительным является тот факт, что лишь один из двух возможных энантиомеров каждой аминокислоты обнаружен в животных и растительных белках и что каждый такой энантиомер имеет одинаковую конфигурацию для всех аминокислот; иными словами, во всех случаях атом водорода, карбоксильная группа и аминогруппа занимают одинаковое пространственное положение относительно группы R у α-атома углерода. Такая конфигурация называется L-конфигурацией — все природные белки построены из L-аминокислот.
ТАБЛИЦА 14.1.
Это весьма загадочный факт, и пока еще не известно, почему живые организмы построены из L-, а не D-молекул аминокислот. Все изученные белки, полученные из животных и растительных организмов, как из высших, так и из самых простых — бактерий, плесеней и даже вирусов, состоят, как установлено, из L-аминокислот*. Правые и левые формы молекул имеют совершенно одинаковые свойства, поскольку это касается их взаимодействия с обычными веществами, но они различаются в том случае, когда взаимодействуют с правыми и левыми формами других молекул. На Земле могли бы жить организмы, построенные из D-аминокислот, так же как и организмы, построенные из L-аминокислот. Если бы человек внезапно превратился в свое зеркальное изображение, то он не заметил бы вначале каких- либо изменений вокруг себя, за исключением того что он писал бы не правой, а левой рукой, зачесывал бы волосы на правую, а не на левую сторону, по биению сердца он чувствовал бы, что оно находится в правой части грудной клетки и т. д.; он мог бы пить воду, дышать воздухом и использовать содержащийся в нем кислород для процессов окисления, выдыхать двуокись углерода — весь организм его функционировал бы нормально до тех пор, пока ему не потребовалась бы пища. Когда же он начал бы есть обычную пищу растительного или животного происхождения, он обнаружил бы, что не может ее переваривать**. Он мог бы поддерживать жизнь, только потребляя пищу, содержащую синтетические D-аминокислоты, получаемые в химических лабораториях. Он не мог бы иметь детей, если бы не нашел жены, которая подверглась бы точно такому же процессу превращения в свое зеркальное изображение. Земля могла бы быть населена двумя совершенно независимыми видами живых организмов — растениями, животными, человеческими существами двух видов, которые не могли бы пользоваться пищей, потребляемой существами противоположного вида, не могли бы производить гибридное потомство.
Рис. 14.1. Два энантиомера аминокислоты аланина.
Никому еще не известно, почему живые организмы построены из L-аминокислот. Пока нет убедительных доказательств того, что молекулы, подобные белкам, не могли бы быть построены из равного числа правых и левых молекул аминокислот. Быть может, белковые молекулы, построенные из молекул аминокислот лишь одного вида, особенно подходят для построения живых организмов, но если это так, то неизвестно, почему это именно так3*.
Наука не знает также, почему живые организмы выбрали L-, а не D-систему. Высказывалось предположение, что первый живой организм случайно воспользовался несколькими молекулами, имеющими L-конфигурацию, которые присутствовали вместе с равным количеством D-молекул; затем все последующие формы жизни в процессе ее развития продолжали пользоваться молекулами L-аминокислот, полученными по наследству от первоначальной формы жизни. Быть может, будет найдено лучшее объяснение, но каким оно будет, авторы книги не знают.
Незаменимые аминокислоты
Несмотря на то что в состав белков человеческого организма и входят все аминокислоты, перечисленные в табл. 14.1, однако отнюдь не все они должны обязательно содержаться в пище. Экспериментально доказано, что для человека существенное значение имеют девять аминокислот. Такими незаменимыми аминокислотами являются: гистидин, изолейдин, лейцин, лизин, метионин, фенилаланин, треонин, триптофан и валин. Все остальные аминокислоты, которые называют заменимыми аминокислотами, человеческий организм способен вырабатывать сам. Минимальные количества аминокислот, необходимые человеку в молодости, были установлены американским биохимиком У. Ч. Роузом. Если ежесуточное поступление в организм человека любой из восьми указанных аминокислот (за исключением гистидина) окажется ниже определенного уровня, то организм человека будет выделять больше соединений азота, нежели получать их с пищей: белки в его организме станут распадаться быстрее, чем синтезироваться. Потребность молодых людей в аминокислотах колеблется в пределах двукратной дозы, например 0,4—0,8 г лизина в сутки. Минимальная потребность по Роузу представляет собой наибольшую величину для любого из наблюдаемых им лиц. Нет сомнений в том, что каждый человек отличается от другого своими генетическими особенностями, а следовательно, и своими биохимическими характеристиками. Данные, приведенные в табл. 14.2, вдвое превышают значения, установленные Роузом. Предположительно эти количества вполне достаточны для предотвращения нарушений белкового обмена для большинства людей (99%). Потребности женщин составляют приблизительно две трети от количеств, указанных для мужчин.
Девятая аминокислота из перечисленных выше — гистидин — по-видимому, не требуется взрослым людям, но необходима для нормального роста детей (суточная доза 30 мг на 1 кг веса ребенка).
Потребляемые человеком белковые пищевые продукты можно разделить на полноценные, содержащие все незаменимые аминокислоты, и неполноценные, в которых отсутствует одна или несколько незаменимых аминокислот. С этой точки зрения казеин — основной белок молока— является полноценным белком, тогда как желатина — белок, получаемый из костей и сухожилий (при частичном гидролизе нерастворимого белка коллагена образуется желатина), — неполноценный белок. Желатина не содержит триптофана, валина и очень мало содержит или совсем не содержит треонина.
ТАБЛИЦА 14.2.
ТАБЛИЦА 14.3.
Содержание незаменимых аминокислот в восьми типичных пищевых продуктах приведено в табл. 14.3. Из таблицы видно, что продукты растительного происхождения содержат меньшие количества незаменимых аминокислот (25—30 г на 100 г белка), нежели мясная пища (36— 42%). Сравнение с табл. 14.2 показывает, что 100 г смешанных белков в сутки обеспечивают двойную норму потребления всех незаменимых аминокислот, кроме метионина. Недостаток метионина частично компенсируется потреблением цистина, содержание которого в животных белках составляет 2 г на 100 г, тогда как в белках растительного происхождения его содержится 1 г на 100 г. По-видимому, для поддержания здоровья достаточно ежедневно принимать с пищей 1 г белка (или несколько меньшее количество, если речь идет о высококачественном белке) на 1 кг собственного веса, однако для оптимального состояния здоровья эту дозу желательно увеличить.
Некоторые организмы, обычно считающиеся по сравнению с человеком более простыми, обладают большими возможностями, поскольку вырабатывают все перечисленные аминокислоты из неорганических исходных веществ. Такой способностью обладает, например, красная хлебная плесень Neurospora. В процессе эволюции тот или иной организм утрачивает способность производить (с помощью ферментов) такие жизненно важные вещества и вынужден получать их только с пищей. В то же время некоторые позвоночные, например собаки и крысы, нуждаются, помимо тех незаменимых аминокислот, которые необходимы человеку, еще в одной аминокислоте — аргинине.
Первичная структура белков
За последние сто лет ученые приложили много усилий, пытаясь установить строение белка. Это чрезвычайно важная проблема, и в разработке ее достигнуты значительные успехи. Теперь ученые значительно лучше, нежели прежде, понимают природу физиологических процессов, а новые сведения о строении белковых молекул оказывают неоценимую помощь при разработке важных проблем медицины, таких, как лечение сердечных заболеваний или рака.
Рис. 14.2. Образование дипептида глицилглиннна путем конденсации двух молекул глицина. Структурная формула фрагмента полипептидной цепи.
В период 1900—1910 гг. немецкому химику Эмилю Фишеру (1852— 1919) удалось получить убедительные данные, свидетельствующие о том, что аминокислоты в белках соединены в длинные цепи, называемые полипептидными цепями. Так, две молекулы глицина могут соединяться и образовывать двойную молекулу глицилглицина, приведенную на рис. 14.2; при образовании такой молекулы выделяется вода. Возникшая связь называется пептидной связью. Процесс образования такого рода связей может продолжаться и далее, в результате чего будет создаваться длинная цепь, содержащая множество аминокислотных остатков (рис. 14.2).
Рис. 14.3. Хроматографическая колонка. Вертикальная стеклянная трубка, заполненная мелкими частицами вещества, которые сорбируют на своей поверхности растворенные молекулы. Различные молекулы (например, аминокислот) сорбируются из раствора более прочно и менее прочно. Раствор, содержащий различные вещества, вводят в верхнюю часть колонки, после чего добавляют растворитель. При медленном прохождении жидкости через колонку различно адсорбирующиеся вещества перемещаются вниз с разными скоростями. Если они окрашены, то их можно наблюдать в виде отдельных полос — окрашенных зон (отсюда и название «хроматография»). Фракции растворителя, содержащие разные растворенные вещества, можно отбирать из нижней части колонки. Важными методами являются также хроматография на бумаге и газожидкостная хроматография.
Для определения числа полипептидных цепей в белковой молекуле разработаны специальные химические методы. Эти методы основаны на использовании особого реагента (динитрофторбензола), который соединяется со свободной аминогруппой аминокислотного остатка на конце полипептидной цепи с образованием окрашенного комплекса; такой комплекс можно выделить и идентифицировать после того, как белок подвергнется гидролизу и распадется на составляющие его аминокислоты, включая концевую аминокислоту с присоединенной к ней окрашенной группой. Затем аминокислоты отделяют друг от друга хроматографическим методом (рис, 14.3) и идентифицируют концевую аминокислоту с присоединенной к ней окрашенной группой. Белок можно частично гидролизовать до пептидов, в каждом из которых будет содержаться несколько аминокислотных остатков. Эти пептиды затем выделяют хроматографическим методом и определяют последовательность расположения в них аминокислот. Так, изучая строение инсулина, английский биохимик Фред Сенгер (род. 1918) получил ряд пептидов, среди которых были и следующие дипептиды:
Ile-Val
Val-Glu
Glu-Glu
Glu-Cys
Эти дипептиды перекрываются, и их взаимное наложение выявляет последовательность Ile-Val-Glu-Glu-Cys. Он получил также тетрапептид с меченым остатком Gly (аминоконец цепи) и с аминокислотными остатками Ile, Val и Glu, последовательность которых была неизвестна. Он пришел к выводу, что инсулин содержит цепь, которая начинается с последовательности Gly-Ile-Val-Glu-Glu-Cys.
Порядок чередования аминокислотных остатков в полипептидных цепях (называемый первичной структурой) впервые именно таким образом был установлен для белка инсулина. Молекула инсулина имеет молекулярную массу 5733. Она состоит из двух полипептидных цепей, одна из которых содержит 21 аминокислотный остаток, вторая 30. Последовательности аминокислот в короткой и длинной цепях были определены в период 1945—1952 гг. Сенгером и его сотрудниками. Обе цепи в молекуле инсулина соединены дисульфидными связями S—S, образованными между остатками цистина.
Последовательность аминокислот в молекуле инсулина человека показана на рис. 14.4. Следует обратить внимание, что символ Су—S использован для обозначения половины молекулы цистина. Мостик S—S находится между шестым и одиннадцатым остатком в цепи А, благодаря чему образуется кольцо; имеются также две связи S—S, соединяющие цепь А с цепью Б.
Инсулин животных имеет несколько иную первичную структуру, отличающуюся от структуры инсулина человека. Инсулин, вводимый путем инъекций при заболевании человека диабетом, — это инсулин свиньи и крупного рогатого скота. Цепь А инсулина свиньи идентична цепи А инсулина человека, а цепь Б отличается лишь одним аминокислотным остатком (в положении 30 имеется Ala вместо Thr). Инсулин крупного рогатого скота имеет ту же цепь 5, что и инсулин свиньи, но цепь А отличается от цепи А инсулина человека тем, что имеет в положении 8—10 аминокислотные остатки Ala-Ser-Val вместо Thr-Ser-Ile. Инсулин слона имеет такую же цепь Б, как и инсулин человека, но цепь А отличается тем, что в положениях 9 к 10 вместо Ser-Ile находятся Gly-Val. Инсулин собаки идентичен инсулину свиньи и отличается от инсулина человека только последним звеном в цепи Б.
Инсулин — это гормон. Физиологическое действие гормонов рассмотрено в разд. 14.10.
Рис. 14.4. Первичная структура инсулина человека.
Денатурация белков
Такие белки, как инсулин и гемоглобин, обладают рядом специфических свойств, благодаря которым приобретают особо важное значение для организма. Инсулин — гормон, способствующий процессу окисления сахара в организме животного. Гемоглобин обратимо связывает кислород, присоединяя его в легких и отдавая в тканях. Эти точно установленные функции наглядно показывают, что молекулы белка должны обладать специфическим строением.
Белок, сохраняющий свои характерные специфические свойства, называется нативным белком: гемоглобин в том виде, в каком он находится в эритроцитах или в тщательно приготовленном растворе гемоглобина, в котором он все еще продолжает сохранять свое свойство обратимо соединяться с кислородом, называется нативным гемоглобином. Многие белки очень легко теряют присущие им специфические свойства. Тогда говорят, что они денатурированы. Гемоглобин можно денатурировать просто нагреванием его раствора до 65 °С. В результате такого нагревания он коагулирует, образуя нерастворимый коагулят кирпично-красного цвета. Большинство других белков также денатурируется при нагревании приблизительно до такой же температуры. Яичный белок, например, представляет собой раствор, состоящий главным образом из белка овальбумина с молекулярной массой 43 000. Овальбумин — растворимый белок. При нагревании его раствора примерно до 65 °С и выдерживании в течение некоторого времени при этой температуре овальбумин денатурируется, давая нерастворимый белый коагулят. Это явление наблюдается при варке яиц.
Принято считать, что процесс денатурации сопровождается раскручиванием полипептидных цепей, изменением структуры, характерной для природного белка. В коагуляте денатурированного гемоглобина или денатурированного овальбумина раскрученные полипептидные цепи различных молекул данного белка настолько переплетены между собой, что их уже нельзя разделить, чем и объясняется нерастворимость денатурированного белка. Некоторые химические реагенты, к числу которых относятся сильные кислоты, сильные щелочи и спирты, служат сильными денатурирующими средствами.
* Остатки D-аминокислот обнаружены в немногих простых пептидах, содержащихся в живых организмах.
** Алиса: «Может быть, зеркальное молоко не годится для питья». Из книги «В Зазеркалье» Льюиса Кэрролла (Чарлз Латуидж Доджсон), 1872.
3* Одна из причин может заключаться в том, что в случае смеси L- и D -остатков в α-спирали будут очень сильно переуплотнены боковые цепи (гл. 15).