Белки

                                              ВВЕДЕНИЕ

Нормальная  деятельность организма возможна при  непрерывном поступлении пищи. Входящие в состав пищи жиры, белки, углеводы, минеральные соли, вода и витамины необходимы для жизненных процессов  организма.

Питательные вещества, являются источником энергии, покрывающей расходы организма, и строительным материалом, который  используется в процессе роста организма  и воспроизведения новых клеток, замещающих отмирающие. Но питательные  вещества в том виде, в каком  они употребляются в пищу, не могут  всасываться и быть использованными  организмом. Только вода, минеральные  соли, и витамины всасываются и  усваиваются в том виде, в каком  они поступают.

Питательными  веществами называются белки, жиры и  углеводы. Эти вещества являются необходимыми составными частями пищи. В пищеварительном  тракте белки, жиры и углеводы подвергаются как физическим воздействиям (измельчаются и перетираются), так и химическим изменениям, которые происходят под  влиянием особых веществ - ферментов, содержащихся в соках пищеварительных желёз. Под влиянием пищеварительных соков  питательные вещества расщепляются на более простые, которые всасываются  и усваиваются организмом.

Строение  белка и его функции  

"Во  всех растениях и животных  присутствует некое вещество, которое  без сомнения является, наиболее  важным из всех известных веществ  живой природы и без которого  жизнь была бы на нашей планете  невозможна. Это вещество я наименовал - протеин". Так писал еще в  1838 году голландский биохимик  Жерар Мюльдер, который впервые открыл существование в природе белковых тел и сформулировал свою теорию протеина. Слово "протеин" (белок) происходит от греческого слова "протейос", что означает  "занимающий первое место". И в самом деле, все живое на земле содержит белки. Они составляют около 50% сухого веса тела всех организмов. У вирусов содержание белков колеблется в пределах от 45 до 95%.

Белки являются одними из четырех основных органических веществ живой материи (белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, жиры), но по своему значению и биологическим  функциям они занимают в ней особое место. Около 30% всех белков человеческого  тела находится в мышцах, около 20% - в костях и сухожилиях и около 10% - в коже. Но наиболее важными белками  всех организмов являются ферменты, которые, хотя и присутствуют в их теле и  в каждой клетке тела в малом количестве, тем не менее управляют рядом  существенно важных для жизни  химических реакций. Все процессы, происходящие в организме: переваривание пищи, окислительные реакции, активность желез внутренней секреции, мышечная деятельность и работа мозга регулируется ферментами. Разнообразие ферментов  в теле организмов огромно. Даже в  маленькой бактерии их насчитываются  многие сотни.

Белки, или, как их иначе называют, протеины, имеют очень сложное строение и являются наиболее сложными из питательных  веществ. Белки - обязательная составная  часть всех живых клеток. В состав белков входят: углерод, водород, кислород, азот, сера и иногда фосфор. Наиболее характерно для белка наличие  в его молекуле азота. Другие питательные  вещества азота не содержат. Поэтому  белок называют азотосодержащим  веществом.

Основные  азотосодержащие вещества, из которых  состоят белки, - это аминокислоты. Количество аминокислот невелико - их известно только 28. Все громадное  разнообразие содержащихся в природе  белков представляет собой различное  сочетание известных аминокислот. От их сочетания зависят свойства и качества белков.

Белки играют исключительно важную роль в  живой природе. Жизнь немыслима  без различных по строению и функциям белков. Белки - это биополимеры сложного строения, макромолекулы (протеины)  которых, состоят из остатков аминокислот, соединенных между собой амидной (пептидной) связью. Кроме длинных полимерных цепей, построенных из остатков аминокислот (полипептидных цепей), в макромолекулу белка могут входить также остатки или молекулы других органических соединений. На одном кольце каждой пептидной цепи имеется свободная или ацилированная аминогруппа, на другом - свободная или амидированная карбоксильная группа.

Конец цепи с аминогруппой называется М-концом, конец цепи с карбоксильной группой — С-концом пептидной цепи. Между СО - группой одной пептидной группировки и NH - группой другой пептидной группировки могут легко образовываться водородные связи.

Группы, входящие в состав радикала R аминокислот, могут вступать во взаимодействие друг с другом, с посторонними веществами и с соседними белковыми и иными молекулами, образуя сложные и разнообразные структуры.

В макромолекулу  белка входит одна или несколько пептидных цепей, связанных друг с другом поперечными химическими связями, чаще всего через серу(дисульфидные мостики, образуемые   остатками   цистеина). Химическую структуру пептидных цепей принято называть первичной структурой белка или секвенцией.

Для построения пространственной структуры белка пептидные цепи должны принять определенную, свойственную данному белку конфигурацию, которая закрепляется водородными связями, возникающими между пептиднымигруппировками отдельных участков молекулярной цепи. По мере образования водородных связей пептидные цепи закручиваются в спирали, стремясь к образованию максимального числа водородных связей и соответственно к энергетически наиболее выгодной конфигурации.

Впервые такая структура на основе рентгеноструктурного анализа была обнаружена при изучении главного белка волос и шерсти-кератина Полингомамериканским физиком и химиком. Ее назвали А-структурой или А-спиралью. На один виток спирали приходится по 3,6-3,7 остатков аминокислот. Расстояние между витками около 0,54 миллиардной доле  метра. Строение спирали стабилизируется внутримолекулярными водородными связями.

При растяжении спираль макромолекулы белка превращается в другую структуру, напоминающую линейную.

Но образованию  правильной спирали часто мешают силы отталкивания или притяжения, возникающие между группами аминокислот, или стерическиепрепятствия, например, за счет образования пирролидиновых колец пролина иоксипролина, которые заставляют пептидную цепь резко изгибаться и препятствуют образованию спирали на некоторых её участках. Далее отдельные участки макромолекулы белка ориентируются в пространстве, принимая в некоторых случаях достаточно вытянутую форму, а иногда сильноизогнутую, свернутую пространственную структуру.

Пространственная  структура закреплена вследствие взаимодействия радикалов R и аминокислот с образованием дисульфидных мостиков, водородных связей, ионных пар или других химических либо физических связей. Именно пространственная структура белка определяет химические и биологические свойства белков.

В зависимости  от пространственной структуры все  белки делятся на два больших  класса: фибриллярные (они используются природой как структурный материал) и глобулярные (ферменты, антитела, некоторые гормоны и др.).

Свойства  белка могут сильно изменяться при  замене одной аминокислоты другой. Это объясняется изменением конфигураций пептидных цепей и условий образования пространственной структуры белка, которая в конечном счете определяет его функции в организме.

Число аминокислотных остатков, входящих в  молекулы отдельных белков, весьма различно: в инсулине 51, в миоглобине - около 140. Поэтому и относительная  молекулярная масса белков колеблется в очень широких пределах - от 10 тысяч до многих миллионов На основе определения относительной молекулярной массы и элементарного анализа  установлена эмпирическая формула  белковой молекулы - гемоглобина крови (C₇₃₈H₁₁₆₆O₂₀₈S₂Fe)₄ Меньшая молекулярная масса может быть у простейших ферментов и некоторых гормонов белковой природы. Например, молекулярная масса гормона инсулина около 6500, а белка вируса гриппа — 320 000 000. Вещества белковой природы (состоящие из остатков аминокислот, соединенных между собой пептидной связью), имеющие относительно меньшую молекулярную массу и меньшую степень пространственной организации макромолекулы, называются полипептидами. Провести резкую границу между белками и полипептидами трудно. В большинстве случаев белки отличаются от других природных полимеров (каучука, крахмала, целлюлозы), тем, что чистый индивидуальный белок содержит только молекулы одинакового строения и массы. Исключением является, например, желатина, в составе которой входят макромолекулы с молекулярной массой 12 000— 70000.

Строением белков объясняются их весьма разнообразные  свойства. Они имеют разную растворимость: некоторые растворяются в воде, другие — в разбавленных растворах нейтральных солей, а некоторые совсем не обладают свойством растворимости (например, белки покровных тканей). При растворении белков в воде образуется своеобразная молекулярно-дисперсная система (растворвысокомолекулярного вещества). Некоторые белки могут быть выделены в виде кристаллов (белок куриного яйца, гемоглобина крови).  

Функции белков в организме         

Функции белков в организме разнообразны. Они в значительной мере обусловлены  сложностью и разнообразием форм и состава самих белков.

Белки - незаменимый строительный материал. Одной из важнейших функций белковых молекул является пластическая. Все  клеточные мембраны содержат белок, роль которого здесь разнообразна. Количество белка в мембранах  составляет более половины массы.

Многие  белки обладают сократительной функцией. Это прежде всего белки актин  и миозин, входящие в мышечные волокна  высших организмов. Мышечные волокна - миофибриллы - представляют собой длинные  тонкие нити, состоящие из параллельных более тонких мышечных нитей, окруженных внутриклеточной жидкостью. В ней  растворены аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), необходимая для осуществления  сокращения, гликоген - питательное  вещество, неорганические соли и многие другие вещества, в частности кальций.

Велика  роль белков в транспорте веществ  в организме. Имея функциональные различные  группы и сложное строение макромолекулы, белки связывают и переносят  с током крови многие соединения. Это прежде всего гемоглобин, переносящий  кислород из легких к клеткам. В мышцах эту функцию берет на себя еще  один транспортный белок - миоглобин.

Еще одна функция белка - запасная. К запасным белкам относят ферритин - железо, овальбумин - белок яйца, казеин - белок молока, зеин - белок семян кукурузы.

Регуляторную функцию выполняют белки-гормоны.

Гормоны - биологически активные вещества, которые  оказывают влияние на обмен веществ. Многие гормоны являются белками, полипептидами  или отдельными аминокислотами. Одним  из наиболее известных белков-гормонов является инсулин. Этот простой белок  состоит только из аминокислот. Функциональная роль инсулина многопланова. Он снижает  содержание сахара в крови, способствует синтезу гликогена в печени и  мышцах, увеличивает образование  жиров из углеводов, влияет на обмен  фосфора, обогащает клетки калием. Регуляторной функцией обладают белковые гормоны  гипофиза - железы внутренней секреции, связанной с одним из отделов  головного мозга. Он выделяет гормон роста, при отсутствии которого развивается карликовость. Этот гормон представляет собой белок с молекулярной массой от 27000 до 46000.

Одним из важных и интересных в химическом отношении гормонов является вазопрессин. Он подавляет мочеобразование и  повышает кровяное давление. Вазопрессин - это октапептид циклического строения с боковой цепью:

Регуляторную  функцию выполняют и белки, содержащиеся в щитовидной железе - тиреоглобулины, молекулярная масса которых около 600000. Эти белки содержат в своем составе йод. При недоразвитии железы нарушается обмен веществ.

Другая  функция белков - защитная. На ее основе создана отрасль науки, названная  иммунологией.

В последнее  время в отдельную группу выделены белки с рецепторной функцией. Есть рецепторы звуковые, вкусовые, световые и др. рецепторы.

Следует упомянуть и о существовании  белковых веществ, тормозящих действие ферментов. Такие белки обладают ингибиторными функциями. При взаимодействии с этими белками фермент образует комплекс и теряет свою активность полностью или частично. Многие белки - ингибиторы ферментов - выделены в чистом виде и хорошо изучены. Их молекулярные массы колеблются в широких пределах; часто они относятся к сложным белкам - гликопротеидам, вторым компонентом которых является углевод.

Если  белки классифицировать только по их функциям, то такую систематизацию нельзя было бы считать завершенной, так как новые исследования дают много фактов, позволяющих выделять новые группы белков с новыми функциями. Среди них уникальные вещества - нейропептиды (ответственные за жизненно важные процессы: сна, памяти, боли, чувства страха, тревоги).      

Биологические катализаторы.

В основе всех жизненных процессов лежат  тысячи химических реакций. Они идут в организме без применения высокой  температуры и давления, т. е. в  мягких условиях. Вещества, которые  окисляются в клетках человека и  животных, сгорают быстро и эффективно, обогащая организм энергией и строительным материалом. Но те же вещества могут  годами храниться как в консервированном (изолированном от воздуха) виде, так  и на воздухе в присутствие  кислорода. Возможность быстрого переваривания  продуктов в живом организме  осуществляется благодаря присутствию  в клетках особых биологических  катализаторов - ферментов.

Ферменты - это специфические белки, входящие в состав всех клеток и тканей живых организмов играющие роль биологических катализаторов. О ферментах люди узнали давно. Еще в начале прошлого века в Петербурге К.С.Кирхгоф выяснил, что проросший ячмень способен превращать полисахарид крахмал в дисахарид мальтозу, а экстракт дрожжей расщеплял свекловичный сахар на моносахариды - глюкозу и фруктозу. Это были первые исследования в ферментологии. Хотя на практике применение ферментативных процессов было известно с незапамятных времен (сбраживание винограда, сыроварение и др.).