Протеини: произходът на протеини, източници

Протеините са неразделна част от клетките. Той отдава важна роля в природата на живите организми. Протеините в храненето са ценни и незаменими компоненти. Каква е историята на техния произход, какви са разликите между протеини от растителен и животински произход? Прочети статията!

История на откритията

Името произлиза от яйчен протеин. Дори в незапомнени времена хората са го използвали за ядене. Древните римляни, например, го използвали като лекарство. Протеиновите вещества обаче започват истинската си история с появата на информация за протеините като химически съединения..

Учените са изследвали такива свойства като коагулация в резултат на нагряване, разлагане, когато са изложени на киселина, алкали и други. Освен яйчен белтък, който е вещество от животински произход, скоро се характеризира и кръвен полипептид. Растителните протеини включват глутен от пшенично брашно, който за първи път е получен от Beccari. Ученият отбеляза, че глутените и животинските протеини имат сходства..

Научните знания за изучаването на протеини като химикали се разширяват и вече към 19 век са публикувани първите творби в тази посока.

Ами протеините?

Това са съединения, повечето от които са аминокиселини. Протеините са представени от хормони, ензими, глобулини, албумин, колаген, кератини и много други вещества. Повечето от тях влизат в човешкото тяло от животинска храна: млечни продукти, риба, месо, яйца. Много протеини съдържат бобови растения и зърнени храни. Има растителни протеини. Те се абсорбират лесно от тялото. Растителните храни обаче не съдържат много незаменими аминокиселини.

За какво са протеини??

Храните, съдържащи протеин, се разграждат при поглъщане. Образуват се аминокиселини, с помощта на които се създават необходимите за човека протеини. Те участват в синтеза на ензими, осигуряват нормалното функциониране на всички системи на тялото, са материал за създаване на структурата на клетките.

Човек се нуждае само от двадесет аминокиселини. От тях тялото създава свои собствени протеини. Аминокиселините са взаимозаменяеми и незаменими. Тялото произвежда само първото. Аминокиселините се получават от организма от растителни храни, но те трябва да са в правилното съотношение.

Протеин от животински произход, съдържащ се в месо, птици, риба, яйца, мляко, в аминокиселинен състав, подобен на полипептидите на човешкото тяло. Следователно тези продукти са пълни източници на протеини. Основните аминокиселини в тях се съдържат в тяхната цялост. От тях организмът сам създава протеините, от които се нуждае. Растителните протеини не са всички есенциални аминокиселини.

Разлики между протеини с различен произход

Протеинът е много важен за хората. Ако не е достатъчно, тялото старее, има намаляване на тонуса и мускулната маса, косата и ноктите страдат. Наблюдава се влошаване на общото здравословно състояние с липса на съединения като протеини от животински произход. Продуктите съдържат само половината аминокиселини, необходими на човек. Другата част се синтезира от организма самостоятелно..

Животинските протеини в състава си съдържат повече аминокиселини от растителните протеини, които са по-малко ценни протеини. Произходът на протеините от растителните продукти е такъв, че те са трудни за смилане, тъй като са затворени в черупки, състоящи се от фибри. Някои от тях остават неразградени, поради което храносмилателните ензими не могат да имат желания ефект върху тях. В допълнение, основните аминокиселини в растителните протеини не са балансирани. Но растителните протеини не съдържат холестерол.

Значителни недостатъци са животинските протеини. Произходът на протеините от този тип предизвиква поглъщането на вредни вещества - холестерол и мазнини, които са опасни за сърцето, в тялото с тях. Следователно, не яжте тлъсто месо, риба, мляко, преследвайки количеството протеин.

Белтъчините от същия произход, например месото и млякото, се различават по качество. Съставът на млечните протеини съдържа всички необходими за организма аминокиселини и съотношението им е оптимално.

Биологичното значение на месните протеини не е същото. Еластинът, колагенът са протеини от съединителната тъкан, стойността им е малка. Освен това тези вещества в излишък са вредни за бъбреците. По-ценни са протеините, които са в мускулната тъкан. Следователно, трябва да ядете месото на животни с кратък живот, тоест млади. Колагенът им е незрял.

Пет пъти по-малко съединителна тъкан в рибата, отколкото в месото, така че тя се усвоява по-добре. Ценен хранителен продукт са яйцата, които съдържат протеини. Месото и млечните продукти съдържат протеини, които са антагонисти един на друг. Месото и млякото не се консумират едновременно..

Човешкото тяло ще получава балансирани аминокиселини в нужното количество, ако диетата ще се състои от протеини с различен произход: животински - с 55% и растителни - с 45%. Животните протеини се усвояват от тялото с 90%, растителните протеини - само с 60-80%.

Източници на животински протеини

Белтъците от този произход са пълни. Стойността им зависи от това колко балансирани са аминокиселините, каква е степента на тяхната усвояемост и колко добре се усвояват от организма. Могат да се посочат следните източници на животински протеин:

  • Месо. Неговите протеини са миозин, актин. Най-цененият продукт е бялото. Той има повече протеини и по-малко мазнини. Най-ценното е месото на животни като заек и пиле. Особено се цени пилешката гърда, където 31 грама протеин са на 100 грама продукт. В това месо има малко мазнини.
  • Говеждо. Това червено месо е ценен източник на протеини. Но в отделните му части съдържа мазнини, които са вредни за организма.
  • Турция. Протеинът е 25,5 грама. Това нискокалорично месо съдържа нисък холестерол. Предимството на продукта е полезните вещества в неговия състав. Месото се препоръчва на бременни жени, деца, възрастни хора.
  • Заек. Протеинът е 22 грама. Месото е богато на полезни вещества, които имат благоприятен ефект върху здравето на цялото тяло, премахват токсините и радиоактивните вещества. Протеинът се абсорбира напълно..
  • Мляко и неговите преработени продукти. Техните протеини - лактоглобулини и лактоалбумин - са най-ценните. Но не бива да се увличате с тези продукти с висок процент мазнини.
  • Морска храна. Сьомгата, треската, рибата тон се отличават с високо съдържание на протеини. В рибата от сьомга на 100 грама продукт 20 е протеин.
  • Яйца от пилета. Те имат много протеини, в едно яйце съдържа 9-11 грама и той се усвоява напълно. Малки количества холестерол и мазнини.

Както можете да видите, протеинът съдържа както естествено месо, така и наденица. Но ако храненето е организирано правилно, протеин не трябва да се получава от всички продукти, които го съдържат. Колбасите, колбасите и месото от мазни сортове трябва незабавно да се изоставят. Важно е тялото да получава различни протеини. Произходът на протеина има значение за организма и е по-добре да ги комбинирате.

Какви са полезните животински протеини?

Яденето на богати на протеини храни има положителен ефект върху човешкото здраве. Предимствата им са, както следва:

  • При хора, които редовно консумират домашни птици, риба, млечни продукти, рискът от развитие на сърдечни и съдови заболявания е намален. Инсултите са по-рядко срещани..
  • Употребата на яйца нормализира холестерола и допринася за загубата на излишни килограми.
  • Яйце за закуска насища организма, човек яде по-малко храна през деня. Това важи особено за жените, които следят фигурата си..
  • Животинският протеин помага за увеличаване на мускулната маса.

Растителни протеини

Източниците на животински и растителни протеини са различни. Основните продукти от растителен произход, които съдържат много протеини, са:

  • Соята и нейните преработени продукти са основният източник на растителни протеини. Съдържанието на протеин в 100 грама от продукта е цели 34 грама. Недостатъкът на соята е загубата на част от протеина при излагане на висока температура. В соята също има много фитоестрогени, така че на мъжете не се препоръчва да я използват често и в големи количества.
  • Леща за готвене Той е ценен диетичен продукт, тъй като съдържа малко мазнини: в 100 грама само 1%.
  • Kinva. Тази зърнена култура по отношение на протеини води сред растенията на своите видове. В допълнение, той лесно се абсорбира от тялото..
  • Тиквени семки: съдържат много протеин, една трета от 100 грама продукт.
  • Бадемите са безспорен лидер сред ядките.

Какви са полезните растителни протеини?

Произходът на протеина влияе върху вкуса на продуктите. Растителният протеин има по-добър вкус от животните. Той се намира не само в бобовите растения. Източникът на растителни протеини са зеленчуци, плодове, зърнени храни, ядки, билки, семена. Тези натурални съставки се използват за приготвяне на различни ястия от латинска, индийска, азиатска кухня..

Растителните протеини имат малко калории, затова храните, които ги съдържат, се препоръчват за хора с наднормено тегло. Те се използват във всички диети за отслабване..

Ежедневен прием на протеини за хората

Нуждата на организма от протеин зависи от физическата активност. Биохимичните реакции в тялото протичат по-бързо, ако човек се движи много. Хората, занимаващи се със спорт, се нуждаят от два пъти повече протеин от тези, които водят заседнал начин на живот. Ако на спортист липсва протеин, настъпва мускулен сок и изтощение..

Възрастен мъж се нуждае от 80-100 грама протеин на ден, жена - 55-60 г, мъж, занимаващ се със спорт - 170-200 г. Нормата се определя въз основа на 1 грам протеин на 1 килограм телесно тегло.

История на откриването и изучаването на протеини

Първите опити за изолиране на протеини са направени още през 18 век. Към началото на 19 век се появяват първите работи по химическото изследване на протеините. Френските учени J.L. Гей Лусак и Л. Дж. Тенар се опита да установи елементарния състав на протеини от различни източници, което постави основата на систематични аналитични изследвания, които стигнаха до извода, че всички протеини са сходни в набора от елементи, съставляващи състава им. През 1836 г. холандският химик Г. Я. Мълдър предложи първата теория за структурата на протеиновите вещества, според която всички протеини имат определен хипотетичен радикал (С40Н62н10О12) свързани в различни пропорции със сярни и фосфорни атоми. Той нарече този радикален „протеин“ (от гръцки. Протеин - първи, основен). Теорията на Мълдър допринесе за увеличаване на интереса към изучаване на протеини и подобряване на методите на протеиновата химия. Разработени са техники за изолиране на протеини чрез екстракция с разтвори на неутрални соли, първо са получени протеини в кристална форма (хемоглобин, някои растителни протеини). За анализа на протеините те започнаха да използват предварителното си разцепване с киселини и основи.

В същото време все по-голямо внимание бе отделено на изследването на функцията на протеините. Й. Берцелий през 1835 г. е първият, който предложи да играят ролята на биокатализатори. Скоро бяха открити протеолитични ензими - пепсин (T. Schwann, 1836) и трипсин (L. Corvisard, 1856), които обърнаха внимание на физиологията на храносмилането и анализа на продуктите, образувани при разграждането на хранителните вещества. По-нататъшни изследвания на протеиновата структура, работят върху химичния синтез на пептиди, завършил с появата на пептидната хипотеза, според която всички протеини са изградени от аминокиселини. В края на 19 век са изследвани повечето аминокиселини, които съставляват протеини. В началото на 20 век немският химик Е. Г. Фишер първо прилага методите на органичната химия за изследване на протеини и доказва, че протеините се състоят от а-аминокиселини, свързани с амидна (пептидна) връзка. По-късно, поради използването на физикохимични методи за анализ, се определя молекулното тегло на много протеини, установява се сферичната форма на глобуларни протеини, извършва се рентгенов дифракционен анализ на аминокиселини и пептиди, разработват се методи за хроматографски анализ (виж хроматография). Първият протеинов хормон - инсулин (F. G. Bunting, J. J. J. Macleod, 1922) е изолиран, доказано е наличието на гама глобулини в антитела, описана е ензимната функция на миозина на протеина в мускулите (V. A. Engelhardt, M. N. Lyubimova, 1939 ) За първи път се получават ензими в кристална форма - уреаза (J. B. Saliner, 1926), пепсин (J. H. Nortron, 1929), лизоцим (E. P. Abraham, R. Robinson, 1937).

През 50-те години доказана е тристепенна организация на протеинови молекули - наличието на първична, вторична и третична структура в тях; се създава автоматичен анализатор на аминокиселини (S. Moore, W.H. Stein, 1950). През 60-те. правят се опити за синтез на химически протеини (инсулин, рибонуклеаза). Значително подобрени методи за рентгенов анализ; е създадено устройство за секвенсиране (P. Edman, G. Bagg, 1967), което дава възможност да се определи последователността на аминокиселини в полипептидна верига. Последицата от това беше установяването на структурата на няколкостотин протеина от различни източници. Сред тях са протеолитичните ензими (пепсин, трипсин, химотрипсин, субтилизин, карбоксипептидази), миоглобини, хемоглобини, цитохроми, лизозими, имуноглобулини, хистони, невротоксини, вирусни обвивки, протеино-пептидни хормони (виж регулаторни пептидни хормони). В резултат на това се появиха предпоставки за решаване на неотложни проблеми на ензимологията, имунологията, ендокринологията и други области на биологичната химия.

В края на 20 век са постигнати значителни успехи в изучаването на ролята на протеините по време на матричния синтез на биополимери, разбирането на механизмите на тяхното действие в различни процеси на жизненоважна дейност на организмите и установяване на връзка между тяхната структура и функция. От голямо значение беше подобряването на методите на изследване, появата на нови методи за разделяне на протеини и пептиди. Разработването на ефективен метод за анализ на последователността на подреждането на нуклеотиди в нуклеинови киселини значително улесни и ускори определянето на аминокиселинните последователности в протеините. Това се оказа възможно, защото редът на аминокиселините в протеин се определя от последователността на нуклеотидите в гена, кодиращ протеина (фрагмент на ДНК). Следователно, знаейки подредбата на нуклеотидите в този ген и генетичния код, човек може точно да предвиди реда, в който аминокиселините са разположени в протеиновата полипептидна верига. Наред с успехите в структурния анализ на протеините са постигнати значителни резултати при изучаването на тяхната пространствена организация, механизмите на образуване и действие на надмолекулни комплекси, включително рибозоми на други клетъчни органели, хроматин, вируси и др..

Германският химик Емил Фишер, вече известен в цял свят с изследванията си върху пуринови съединения (алкалоиди от кофеиновата група) и разшифроване структурата на захарите, създаде теория за пептидите, която до голяма степен бе потвърдена на практика и получи общо признание през живота си, за което бе удостоена с втората Нобелова награда в историята на химията Награди (първи от Y. G. Vant-Hoff).

Важно е Фишър да изгради план за научни изследвания, който е много различен от предприетото по-рано, но като се вземат предвид всички факти, известни по това време. На първо място той прие като най-вероятната хипотеза, че протеините са изградени от аминокиселини, свързани чрез амидна връзка:

Фишър нарече този тип връзка (по аналогия с пептони) пептид. Той предположи, че протеините са полимери на аминокиселини, свързани чрез пептидна връзка. Идеята за полимерната природа на структурата на протеините била известна от Данилевски и Херт, но те вярвали, че "мономерите" са много сложни образувания - пептони или "комплекси от въглероден азот".

Доказване на пептидния тип съединение на аминокиселинни остатъци. Д. Фишър изхожда от следните наблюдения. Първо, по време на хидролизата на протеините и по време на тяхното ензимно разлагане се образуват различни аминокиселини. Други съединения бяха изключително трудни за описание и още по-трудни за получаване. В допълнение, Фишър знаеше, че нито белтъчини, нито основни свойства се наблюдават при протеините, което означава, че, аргументира той, амино и карбокси групите в аминокиселините в протеиновите молекули се затварят и се маскират взаимно (амфотерност на протеините, както бихме казали сега ).

Фишър сподели решението на проблема с протеиновата структура, като го свежда до следните точки:
1) Качествено и количествено определяне на продуктите на пълна хидролиза на протеини.
2) Установяване структурата на тези крайни продукти.
3) Синтез на полимери на аминокиселини със съединения от типа амид (пептид).
4) Сравнение на така получените съединения с естествените протеини.

От този план става ясно, че Фишер прилага за първи път нов методологичен подход - синтез на моделни съединения, като метод за доказване по аналогия.

История на протеиновите изследвания

I. Протеини - основата за изграждане на тялото

1.1 Какво е протеин?

Протеините са високомолекулни естествени азотни съдържащи съединения, състоящи се от аминокиселини. В природата има около сто и половина различни аминокиселини, но само 20 от тях се намират в хранителните вещества на човека. Протеините са съществена част от здравословната диета.

Ключовият химичен елемент на протеините е азотът, който се използва от растенията за биосинтеза на техните собствени растителни протеини. Животните, ядещи растителни храни, трансформират получения растителен протеин в собствен, животински. Човек, яде растителна и животинска храна, трансформира получените с него протеини в елементите на тъканите на тялото си.

Това се случва поради разграждането на протеините до съставните им аминокиселини и след това, в съответствие с информацията за гените, от тези аминокиселини се изграждат тъкани и клетки на тялото. Някои аминокиселини могат да бъдат синтезирани в човешкото тяло чрез разделяне на различни тъкани. Сред 20-те аминокиселини, използвани от хората в храненето, има редица основни, т.е. тези, които не се синтезират в човешкото тяло.

Аминокиселините съдържат амино група (-NH2), която има алкални свойства, и карбоксилна група (-COOH) с киселинни свойства. Тези групи, подобно на водородния атом, са свързани към един и същ въглероден атом. Аминокиселините винаги съдържат части, специфични за всяка от тях. Те се наричат ​​радикали (R-групи). Общата формула на аминокиселините е следната (Схема 1).

Аминокиселините се делят на земни и незаменими. Есенциалните аминокиселини могат да бъдат синтезирани от метаболитни продукти при хора и животни. Есенциалните аминокиселини при хората и животните не се образуват, а идват с храната. Протеините, които съдържат всички основни аминокиселини, се наричат ​​пълни, за разлика от по-нисшите, които не включват всички тези аминокиселини.

Остатъците от молекулите на аминокиселините в протеините са свързани помежду си чрез силна ковалентна връзка, която възниква между карбоксилната група на една аминокиселина и аминогрупата на друга. Този тип връзка се нарича пептид..

В допълнение, аминокиселинните остатъци в протеина често се подлагат на посттранслационни модификации, които могат да възникнат както преди протеинът да започне да изпълнява функцията си, така и по време на своята „работа“ в клетката. Често в живите организми няколко молекули от различни протеини образуват сложни комплекси, например фотосинтетичен комплекс.

История на протеиновите изследвания

Протеините са изолирани в отделен клас биологични молекули през 18 век в резултат на работата на френския химик Антоан де Fourcroix и други учени, които отбелязват свойството на протеините да коагулират (денатурират) под въздействието на топлина или киселини. По това време са изследвани протеини като албумин ("яйчен белтък"), фибрин (протеин от кръвта) и пшеничен глутен.

В началото на 19 век вече е получена известна информация за елементарния състав на протеините; известно е, че аминокиселините се образуват по време на хидролизата на протеините. Някои от тези аминокиселини (например глицин и левцин) вече са характеризирани. Въз основа на анализ на химичния състав на протеините, холандският химик Герит Мълдър предположи, че почти всички протеини имат подобна емпирична формула. През 1836 г. Мълдър предлага първия модел на химическата структура на протеините. Въз основа на теорията за радикалите, той след няколко уточнения стигна до извода, че минималната структурна единица на един протеин има следния състав: C40H62N10O12. Той нарече тази единица "протеин" (Pr) (от гръцкото. Protos - първият, първичен), а теорията - "протеинова теория". Самият термин "протеин" е предложен от шведския химик Яков Берзелиус. Според Мълдър всеки протеин се състои от няколко протеинови единици, сяра и фосфор. Например той предложи формулата на фибрин да се напише като 10PrSP. Мълдър също изследва продуктите на разрушаването на протеини - аминокиселини и за един от тях (левцин) с малка част от грешката той определя молекулното тегло - 131 далтона. С натрупването на нови данни за протеините, протеиновата теория започна да бъде критикувана, но въпреки това, до края на 1850 г. тя все още се счита за всепризната..

В края на 19 век повечето от аминокиселините, които съставляват протеини, са изследвани. В края на 1880-те. Руският учен А. Я. Данилевски отбеляза наличието на пептидни групи (CO - NH) в протеиновата молекула. През 1894 г. немският физиолог Албрехт Косел изложи теория, според която аминокиселините са основните структурни елементи на протеините. В началото на 20 век немският химик Емил Фишер експериментално доказа, че протеините се състоят от аминокиселинни остатъци, свързани чрез пептидни връзки. Той също така извърши първия анализ на аминокиселинната последователност на протеина и обясни феномена на протеолизата..

Централната роля на протеините в организмите обаче е призната чак през 1926 г., когато американският химик Джеймс Съмнър (по-късно Нобелова награда за химия) показа, че ензимът уреаза е протеин.

Трудността при изолирането на чистите протеини затруднява изследването. Следователно, първите проучвания са проведени с използване на онези полипептиди, които лесно могат да бъдат пречистени в големи количества, тоест кръвни протеини, пилешки яйца, различни токсини, както и храносмилателни / метаболитни ензими, секретирани след клане на говеда. В края на 50-те години Armor Hot Dog Co. успя да изчисти килограм рибонуклеаза А от говежди панкреас, която се превърна в експериментален обект за много изследвания.

Идеята, че вторичната структура на протеините е резултат от образуването на водородни връзки между аминокиселинните остатъци, е изложена от Уилям Астбъри през 1933 г., но Линус Полинг се счита за първия учен, който успя успешно да прогнозира вторичната структура на протеините. По-късно Уолтър Каузман, разчитайки на работата на Кай Линдерстром-Ланг (англ.) Руски, направи значителен принос за разбирането на законите на формирането на третичната структура на протеините и ролята на хидрофобните взаимодействия в този процес. В края на 40-те и началото на 50-те години Фредерик Сенгер разработва метод за секвениране на протеини, чрез който определя аминокиселинната последователност на две инсулинови вериги до 1955 г., като демонстрира, че протеините са линейни полимери на аминокиселини, а не разклонени (като някои захари ) вериги, колоиди или циклоли. Първият протеин, аминокиселинната последователност на който е установен от съветски / руски учени, е през 1972 г. аспартат аминотрансфераза.

Първите пространствени структури на протеини, получени чрез рентгенова дифракция (рентгенов дифракционен анализ), стават известни в края на 50-те - началото на 60-те години, а структурите, открити с помощта на ядрено-магнитен резонанс - през 80-те години. През 2012 г. банката за данни за протеини съдържаше приблизително 87 000 протеинови структури.

През 21 век изследванията за протеини преминават на качествено ново ниво, когато се изучават не само отделни пречистени протеини, но и едновременната промяна в броя и посттранслационните модификации на голям брой протеини от отделни клетки, тъкани или цели организми. Тази област на биохимията се нарича протеомика. Използвайки методите на биоинформатиката, стана възможно не само да се обработят данните от рентгенов дифракционен анализ, но и да се предскаже структурата на протеина въз основа на неговата аминокиселинна последователност. Понастоящем криоелектронната микроскопия на големи протеинови комплекси и прогнозирането на пространствените структури на протеиновите домейни с помощта на компютърни програми наближават атомната точност.

Презентация по темата: От историята на откриването на протеини

От историята на откриването на протеини

История на откриването на протеини.За първи път терминът протеин (албуминиз), прилаган за всички телесни течности, е използван по аналогия с яйчен белтък от френския физиолог Ф. Кене през 1747 г. и именно в тази интерпретация терминът е включен в D. Encyclopedia през 1751 г. Дидро и Дж. Д'Аламберт.

История на откриването на протеини Джон Далтън - английски химик (6 септември 1766 - 27 юли 1844) Джоузеф Луи Гей-Лусак - френски химик (6.12.1778-9.05.1850) През 1803 г. той дава първите формули на протеините - албумин и желатин - като вещества, т.е. съдържащи азот. Извършва химични анализи на протеини - фибрин в кръвта, казеин и отбелязва сходството на техния елементарен състав.

История на откриването на протеини Braconneau Henri - френски химик (29.05. 1780–13.01.1855) Първо изолиран (1820) глицин и левцин от протеиновия хидролизат. Воклин Луи Николас - френски химик 16 май 1763 г. - 14 ноември. 1829 г. Заедно с П. Дж. Робик (1806 г.) открива първата аминокиселина аспарагин

Герит Ян Мълдър 27 декември 1802 г. - 18 април 1880 г. Холандският химик е органичен химик, описал химичния състав на протеините. Едно от най-важните произведения е статията „За състава на някои вещества, получени от животни“, където той също така предложи животните да извличат повечето от необходимите протеини от растенията..

Антоан Франсоа дьо Фукроа, основателят на изследването на протеините Белтъците са изолирани в отделен клас биологични молекули през 17 век в резултат на работата на френския химик Антоан Фукроа и други учени, които отбелязват свойството на протеините да коагулират (денатурират) под въздействието на топлина или киселини.

Албрехт Косел - немски биохимик присъжда Нобеловата награда по физиология или медицина през 1910 г. за създаването на една от първите теории за протеиновата структура.През 1896 г. той открива аминокиселината хистидин. За първи път той предположи, че аминокиселините служат като „градивни елементи“ в синтеза на протеини. (16.09.1853 - 07/05/1927)

Емил Герман Фишер (1852-1919) - немски органичен химик Експериментално доказа, че протеините се състоят от аминокиселинни остатъци, свързани чрез пептидни връзки. Проведе първия анализ на аминокиселинната последователност на протеина и обясни феномена на протеолизата.

Данилевски Александър Яковлевич - руски биохимик 1838–1923 г. Автор на теорията за полипептидната структура на протеините Изследва химическата структура и метаболизма на протеините. Произведенията са посветени на ензимите, протеиновата химия и храненето. Той експериментално доказа, че действието на панкреатичния сок върху протеините е реакция на хидролиза, в резултат на което протеините се разделят на пептони. Той също така показа обратимостта на този процес и първо извърши ензимен синтез на протеини от пептони и предложи първата научна класификация на мозъчните протеини.

ЛЮБАВИН Николай Николаевич - руски химик 04.22.1845-17.12.1918г. Учи протеинова химия. Разработен метод за синтез на аминокиселини чрез взаимодействие на алдехиди с амониев цианид (1880).

James Betcheller Sumner - американски биохимик (19.11.1887 - 12.08.1955) Работа по химията на протеините и ензимите. Първо изолиран кристален ензим (уреаза), доказващ протеиновата природа на ензимите. През 1946 г. е удостоен с Нобелова награда, която споделя с Д. Нортроп и У. Стенли „за откриване на свойството на кристализация на ензимите“.

Линус Карл Полинг - американски химик 28 февруари 1901 г. - 19 август 1994 г. Първият учен, който успя успешно да прогнозира вторичната структура на протеините. През 1954 г. „за изследване на природата на химичните връзки и приложението му за определяне структурата на съединенията“, той е удостоен с Нобелова награда.

Фредерик Сенгер, английски биохимик, първо установи основната структура на инсулина, тоест последователността на аминокиселините в него. Почетен член на Американската академия на изкуствата и науките (1958 г.). Два пъти Нобелов лауреат за химия: 1958 г. - „за работата му върху определянето на протеиновите структури, особено на инсулина“, 1980 г. - „за приноса му в създаването на основни последователности в нуклеиновите киселини“

Протеини: история на изследванията, химичен състав, свойства, биологични функции

Историята на развитието на съвременната биология на изучаването на протеини. Характеристика и химичен състав на протеини, принцип и нива на тяхната организация. Основни свойства и класификация на протеини. Биологични функции и методи за изследване на протеини, използвани в биохимията.

ЗаглавиеБиология и природни науки
изгледнастойнически
езикРуски
датата е добавена11.16.2017
размер на файла1.3 М

Изпратете добрата си работа в базата от знания е проста. Използвайте формата по-долу

Студентите, аспирантите, младите учени, които използват базата от знания в своите изследвания и работа, ще ви бъдат много благодарни.

публикувано на http://www.allbest.ru

Докладите за революция в биологията вече станаха доста често срещани. Освен това се счита за неоспоримо, че тези революционни промени са били свързани с формирането на кръстопът на биология и химия на комплекс от науки, сред които молекулярната биология и биоорганичната химия заемат и заемат централно място.

„Молекулярната биология е наука, която има за цел да разбере природата на жизнените явления чрез изучаване на биологични обекти и системи на ниво, близко до молекулярното... характерни прояви на живота... се дължат на структурата, свойствата и взаимодействието на молекулите на биологично важни вещества, предимно протеини и нуклеинови киселини.“

„Биоорганична химия - наука, която изучава веществата, които са в основата на процесите на живот... Основните обекти на биоорганичната химия са биополимерите (протеини и пептиди, нуклеинови киселини и нуклеотиди, липиди, полизахариди и др.).

От това сравнение става очевидно колко важно е изследването на протеините за развитието на съвременната биология.

биология протеин биохимия

ГЛАВА 2. ИСТОРИЯ НА ПРОТЕЙНИТЕ ИЗСЛЕДВАНИЯ

2.1 Начални етапи в протеиновата химия

Протеинът беше сред обектите на химическите изследвания преди 250 години. През 1728 г. италианският учен Якопо Бартоломео Бекари получава от пшенично брашно първия препарат на протеиново вещество - глутен. Той подложи глутена на суха дестилация и се увери, че продуктите на такава дестилация са алкални. Това беше първото доказателство за единството на природата на веществата от растителното и животинското царство. Той публикува резултатите от своята работа през 1745 г. и това е първата статия за протеина.

През XVIII - началото на XIX век многократно са описани протеинови вещества от растителен и животински произход. Характерна особеност на такива описания беше конвергенцията на тези вещества и тяхното сравнение с неорганични вещества.

Важно е да се отбележи, че по това време, още преди появата на елементарен анализ, е имало идея, че протеините от различни източници са група от отделни вещества, които са сходни по общи свойства.

През 1810 г. J. Gay-Lussac и L. Tenard за първи път определят елементарния състав на протеиновите вещества. През 1833 г. J. Gay-Lussac доказва, че азотът задължително присъства в протеините и скоро е показано, че съдържанието на азот в различни протеини е приблизително едно и също. В същото време английският химик Д. Далтън се опита да изобрази първите формули на протеиновите вещества. Той ги представяше като доста прости подредени вещества, но за да подчертае индивидуалната им разлика със същия състав, той прибягва до образа на молекулите, който сега би се наричал изомерно. Концепцията за изомеризма по времето на Далтън все още не е била.

D. Далтон протеинови формули

Получени са първите емпирични формули на протеини и са изложени първите хипотези относно законите на техния състав. И така, Н. Либеркун е вярвал, че албуминът се описва с формулата С72Н112носемнадесетТАКА22, и А. Данилевски смяташе, че молекулата на този протеин е поне на порядък по-голяма: С726Н1171н194С3О214.

Германският химик Й. Либиг през 1841 г. предполага, че животинските протеини имат аналози сред растителните протеини: абсорбцията на протеин от бобови растения в тялото на животното, според Либиг, води до натрупването на подобен протеин - казеин. Една от най-разпространените теории на предструктурната органична химия беше теорията за радикалите - неизменните компоненти на сродни вещества. През 1836 г. холандецът Г. Мълдър предположи, че всички протеини съдържат един и същ радикал, който той нарече протеин (от гръцката дума „примат“, „заеме първо място“). Протеинът според Mulder е имал състава Pr = C40Н62н10О12. През 1838 г. Г. Мълдър публикува протеинови формули, базирани на протеиновата теория. Това бяха т.нар дуалистични формули, където протеиновият радикал служи като положителна част, а серните или фосфорните атоми като отрицателна част. Заедно те образуват електрически неутрална молекула: Pr10С2P, фибрин Pr10SP. Въпреки това, аналитична проверка на данните на G. Mulder, проведена от руския химик Лясковски, както и от J. Liebig, показа, че "протеинови радикали" не съществуват..

През 1833 г. немският учен Ф. Роуз открива биуретовата реакция на протеини - една от основните цветни реакции към протеиновите вещества и техните производни в момента (повече за цветните реакции на страница 53). Заключено е също, че това е най-чувствителната реакция към протеина, така че по това време привлича най-много внимание на химиците.

В средата на XIX век са разработени множество методи за извличане на протеини, пречистване и тяхното изолиране в разтвори на неутрални соли. През 1847 г. C. Reichert открива способността на протеините да образуват кристали. През 1836 г. Т. Шван открива пепсин, ензим, който разгражда протеините. През 1856 г. Л. Корвисар открива друг подобен ензим - трипсин. Изучавайки ефекта на тези ензими върху протеините, биохимиците се опитаха да разгадаят тайната на храносмилането. Най-голямо внимание обаче привличаха веществата, получени в резултат на действието на протеолитичните ензими върху протеините (протеази, ензимите, споменати по-горе): някои от тях бяха фрагменти от първоначалните протеинови молекули (наричани са пептони), докато други не бяха подложени на по-нататъшно разцепване на протеазата и принадлежаха към добре познатите от началото на века клас съединения - аминокиселини (първото производно на аминокиселината - амид аспарагин е открито през 1806 г., а първата аминокиселина - цистин през 1810 г.). Аминокиселините в състава на протеините са открити за първи път през 1820 г. от френския химик А. Браконно. Той използва киселинна хидролиза на протеина и открива в хидролизата сладко вещество, наречено глицин. През 1839 г. е доказано наличието на левцин в протеините, а през 1849 г. Ф. Боп изолира друга аминокиселина от протеина - тирозин (за пълен списък на датите на откриване на аминокиселини в протеините, вижте Приложение II).

До края на 80-те. От 19-ти век от протеиновите хидролизати са изолирани 19 аминокиселини и бавно се засилва мнението, че информацията за продуктите на протеиновата хидролиза носи важна информация за структурата на протеиновата молекула. Въпреки това, аминокиселините се считат за основен, но несъществен компонент на протеина..

Във връзка с откритията на аминокиселини в протеините, френският учен П. Шуценбергер през 70-те години. XIX век предлага т.нар. теория за структурата на протеина на уреида. Според него протеиновата молекула се състоеше от централно ядро, ролята на което играе молекулата на тирозин и сложни групи, прикрепени към нея (със заместване на 4 водородни атома), наречени Schutzenberger левцини. Въпреки това, хипотезата беше много слабо подкрепена експериментално и по-нататъшни изследвания показаха неуспех.

2.2 Теория на „въглерод-азотните комплекси“ А.Я. Danilevsky

Според Данилевски въглерод-азотните комплекси могат да бъдат съединени от етер или амидна връзка, за да образуват структура с високо молекулно тегло.

2.3 Теория на „Кирин” А. Косел

Теорията на Косел е най-съвършеният пример за развитието на хипотезата за фрагментираната структура на протеините (първо е предложена, както беше казано по-горе, от Г. Мълдър). Германският химик М. Зигфрид използва тази хипотеза в началото на 20 век. Той вярва, че протеините са изградени от комплекси от аминокиселини (аргинин + лизин + глутаминова киселина), които той нарича кирини (от гръцки основни „kyrios“). Тази хипотеза обаче е изразена през 1903 г., когато Е. Фишър активно развива своята теория за пептидите, която дава ключа към тайната на протеиновата структура..

2.4 Пептидна теория на Е. Фишър

Важно е Фишър да изгради план за научни изследвания, който е много различен от предприетото по-рано, но като се вземат предвид всички факти, известни по това време. На първо място той прие като най-вероятната хипотеза, че протеините са изградени от аминокиселини, свързани чрез амидна връзка:

Фишър нарече този тип връзка (по аналогия с пептони) пептид. Той предположи, че протеините са полимери на аминокиселини, свързани чрез пептидна връзка. Идеята за полимерната природа на структурата на протеините била известна от Данилевски и Херт, но те вярвали, че „мономерите“ са много сложни образувания - пептони или „комплекси от въглероден азот“.

Доказване на пептидния тип съединение на аминокиселинни остатъци. Д. Фишър изхожда от следните наблюдения. Първо, по време на хидролизата на протеините и по време на тяхното ензимно разлагане се образуват различни аминокиселини. Други съединения бяха изключително трудни за описание и още по-трудни за получаване. В допълнение, Фишър знаеше, че нито белтъчини, нито основни свойства се наблюдават при протеините, което означава, че, аргументира той, амино и карбокси групите в аминокиселините в протеиновите молекули се затварят и се маскират взаимно (амфотерност на протеините, както бихме казали сега ).

Фишър сподели решението на проблема с протеиновата структура, като го свежда до следните точки:

Качествено и количествено определяне на продуктите на пълна хидролиза на протеини.

Установяване структурата на тези крайни продукти.

Синтез на аминокиселинни полимери с амидни (пептидни) съединения.

Сравнение на така получените съединения с естествените протеини.

От този план става ясно, че Фишер прилага за първи път нов методологичен подход - синтез на моделни съединения, като метод за доказване по аналогия.

2.5 Разработване на методи за синтез на аминокиселини

Преди Фишер, цианохидриновият синтез на А. Strecker е общ метод за синтеза на аминокиселини:

Чрез реакцията на Strecker беше възможно да се синтезират аланин, серин и някои други аминокиселини и чрез неговата модификация (реакция на Зелински-Стадников), както α-аминокиселини, така и техните N-заместени.

Самият Фишър обаче се опита да разработи методи за синтеза на всички известни тогава аминокиселини. Той считаше, че методът на Strecker не е достатъчно универсален. Следователно Е. Фишър трябваше да потърси общ метод за синтеза на аминокиселини, включително аминокиселини със сложни странични радикали.

Той предложи карбоксилните киселини, заместени в β-позиция, да бъдат аминирани. За да получи производни на брома, той използва например при синтеза на левцин, арилирана или алкилирана малонова киселина:

Но Е. Фишер не успя да създаде абсолютно универсален метод. Разработени са по-силни реакции. Например, студент от Фишър Г. Лейкс предложи следната модификация за получаване на серин:

Фишър също доказа, че протеините са съставени от остатъци от оптически активни аминокиселини (виж страница 11). Това го принуждава да разработи нова гама от оптически активни съединения, методи за разделяне и синтез на оптични аминокиселинни изомери. Фишър заключи също, че протеините съдържат остатъците от L-формите на оптично активни аминокиселини и той доказа това, като първо използва принципа на диастереоизомеризма. Този принцип беше следният: към N-ациловото производно на рацемичната аминокиселина се добавя оптично активен алкалоид (бруцин, стрихнин, цихонин, хинидин, хинин). В резултат на това се образуват две стереоизомерни форми на соли с различна разтворимост. След отделянето на тези диастереоизомери алкалоидът се регенерира и ациловата група се отстранява чрез хидролиза..

Фишър успя да разработи метод за пълно определяне на аминокиселините в протеиновите продукти на хидролизата: той превръща хидрохлоридите на аминокиселинните естери чрез третиране с концентрирана алкал в студа в свободни етери, които не се забелязват осезаемо. След това сместа от тези естери се подлага на фракционна дестилация и отделни аминокиселини се изолират от получените фракции чрез фракционна кристализация.

Новият метод за анализ не само потвърди окончателно, че протеините се състоят от аминокиселинни остатъци, но също така даде възможност да се изясни и попълни списъкът на аминокиселините, които се намират в протеините. Въпреки това количествените анализи не могат да отговорят на основния въпрос: какви са принципите на структурата на протеиновата молекула. И Е. Фишър формулира една от основните задачи при изследването на структурата и свойствата на протеина: разработването на експериментални методи за синтеза на съединения, основните компоненти на които биха били аминокиселини, свързани чрез пептидна връзка.

Така Фишер си поставя нетривиална задача - да синтезира нов клас съединения, за да установи принципите на тяхната структура..

Фишър реши този проблем и химиците получиха убедителни доказателства, че протеините са полимери на аминокиселини, свързани чрез пептидна връзка:

- CO - CHR '- NH - CO - CHR' '- NH - CO CHR' '' - NH -

Тази позиция беше потвърдена от биохимични доказателства. По пътя се оказа, че протеазите не хидролизират всички връзки между аминокиселини със същата скорост. Способността им да разцепват пептидната връзка е повлияна от оптичната конфигурация на аминокиселини, амино заместители на аминогрупата, дължината на пептидната верига, както и набора от остатъци, включени в нея.

Основното доказателство на теорията за пептидите беше синтезът на моделни пептиди и тяхното сравнение с пептони на протеинов хидролизат. Резултатите показаха, че пептидите, идентични на синтезираните, се освобождават от протеиновите хидролизати.

В процеса на провеждане на тези изследвания Е. Фишер и неговият ученик Е. Абдергалден първи разработиха метод за определяне на последователността на аминокиселините в протеин. Нейната същност беше да се определи естеството на аминокиселинния остатък на полипептид със свободна аминогрупа (N-крайна аминокиселина). За да направят това, те предложиха да се блокира амино-края в пептида с -нафтален-сулфонилна група, която не се разцепва по време на хидролиза. След изолиране на аминокиселината, белязана с такава група от хидролизата, беше възможно да се определи коя аминокиселина е N-краен.

След изследване на Е. Фишер стана ясно, че протеините са полипептиди. Това беше важно постижение, включително за проблеми със синтеза на протеини: стана ясно какво точно трябва да се синтезира. Едва след тези работи проблемът с протеиновия синтез придоби известна насоченост и необходимата строгост.

Говорейки за работата на Фишер като цяло, трябва да се отбележи, че подходът към изследванията е типичен по-вероятен за следващия XX век - той оперира с широк спектър от теоретични принципи и методологически техники; синтезите му бяха все по-малко като изкуство, основано на интуиция, отколкото на точно познание, и се приближаваха към създаването на серия от точни, почти технологични техники.

2.6 криза на теорията за пептидите

През 20-30-те години. Теорията на дикетопиперазин получи разпространение. Според нея централната роля в изграждането на протеиновата структура играят дикетопиперазивни пръстени, образувани по време на циклизацията на два аминокиселинни остатъка. Предполага се също, че тези структури образуват централното ядро ​​на молекулата, към което са прикрепени къси пептиди или аминокиселини („пълнители“ на цикличния скелет на основната структура). Най-убедителните схеми за участие на дикетопиперазини в изграждането на протеиновата структура бяха представени от Н. Д. Зелински и студенти от Е. Фишър.

Опитите да се синтезират моделни съединения, съдържащи дикетопиперазини, обаче са малко, което даде теория за пептидите впоследствие триумфирана за протеиновата химия, но тези изследвания стимулират химията на пиперазините като цяло..

След пептидни и дикетопиперазивни теории продължават опитите да се докаже съществуването само на пептидни структури в протеиновата молекула. В същото време те се стремяха да си представят не само вида на молекулата, но и нейните общи очертания.

Първоначалната хипотеза е изразена от съветския химик Д. Л. Талмуд. Той предположи, че пептидните вериги в състава на протеиновите молекули са сгънати в големи пръстени, което от своя страна беше стъпка към създаването на представа за протеиновата глобула.

В същото време се появиха данни, показващи различен набор от аминокиселини в различни протеини. Но моделите, които управляват последователността на аминокиселините в протеиновата структура, не бяха ясни.

Първите, които се опитаха да отговорят на този въпрос, бяха М. Бергман и К. Ниман в разработената от тях хипотеза за „променливи честоти“. Според нея последователността на аминокиселинните остатъци в протеиновата молекула се подчинявала на числени модели, основите на които са получени от принципите на структурата на протеиновата молекула на копринения фиброин. Но този избор беше неуспешен, защото този протеин е фибриларен, структурата на кълбовидните протеини се подчинява на напълно различни закони.

Според М. Бергман и К. Ниман всяка аминокиселина се появява в полипептидната верига през определен интервал или, както каза М. Бергман, има определена „периодичност“. Тази периодичност се определя от естеството на аминокиселинните остатъци..

Молекулата на копринената фибройна те си представяха, както следва:

GlyAlaGlyTyr GlyAlaGlyArg GlyAlaGlyx GlyAlaGlyx

(GlyAlaGlyTyr GlyAlaGlyx GlyAlaGlyx GlyAlaGlyx)12

GlyAlaGlyTyr GlyAlaGlyx GlyAlaGlyx GlyAlaGlyArg

(GlyAlaGlyTyr GlyAlaGlyx GlyAlaGlyx GlyAlaGlyx)тринадесет

Хипотезата на Бергман-Ниман оказа значително влияние върху развитието на химията на аминокиселините, като за нейната проверка бяха посветени голям брой творби..

В заключение на тази глава трябва да се отбележи, че до средата на XX век. Натрупаха се достатъчно доказателства за валидността на теорията за пептидите, основните й разпоредби бяха допълнени и усъвършенствани. Следователно центърът за изследване на протеини през XX век. полагат вече полето на изследвания и търсят методи за синтез на протеини чрез изкуствени средства. Този проблем беше успешно решен, разработени са надеждни методи за определяне на първичната структура на протеина - аминокиселинната последователност в пептидната верига, разработени са методи за химичен (абиогенен) синтез на неправилни полипептиди (тези методи са разгледани по-подробно в глава 8, стр. 36), включително автоматични синтез на полипептиди. Това позволява през 1962 г. водещият английски химик Ф. Сенгер да дешифрира структурата и синтезира изкуствено хормона инсулин, което бележи нова ера в синтеза на функционални протеинови полипептиди.

ГЛАВА 3. ХИМИЧЕСКИ СЪСТАВ НА ПРОТЕЙНИТЕ

3.1 Пептидна връзка

3.2 Елементарният състав на протеините
Съдържанието на основни химични елементи в протеините може да варира, с изключение на азот, концентрацията на който се характеризира с най-голяма постоянство и е средно 16%. Освен това съдържанието на азот в други органични вещества е ниско. В съответствие с това беше предложено да се определи количеството на протеин от азота, включен в неговия състав. Знаейки, че 1 g азот се съдържа в 6,25 g протеин, намереното количество азот се умножава по коефициент 6,25 и се получава количеството протеин..
За да се определи химическата природа на протеиновите мономери, е необходимо да се решат два проблема: да се раздели протеинът на мономери и да се установи техният химичен състав. Разделянето на протеина на неговите компоненти се постига чрез хидролиза - продължително кипене на протеина със силни минерални киселини (киселинна хидролиза) или основи (алкална хидролиза). Най-често кипенето се прилага при 110 ° С с НС1 в продължение на 24 часа Следващата стъпка е отделянето на веществата, които съставляват хидролизата. За тази цел се използват различни методи, най-често хроматография (за повече подробности вижте главата „Методи на изследване...“). Основната част от отделените хидролизати са аминокиселини.

3.3. Аминокиселини

Понастоящем в различни обекти от дивата природа са открити до 200 различни аминокиселини. В човешкото тяло например има около 60. Въпреки това само 20 аминокиселини, понякога наричани естествени, са част от протеините..

Аминокиселините са органични киселини, в които водородният атом на въглероден атом е заменен от аминогрупа - NH2. Следователно, по своята химическа природа това са аминокиселини с общата формула:

От тази формула се вижда, че съставът на всички аминокиселини включва следните общи групи: - СН2, - NH2, - COOH. Страничните вериги (радикали - R) на аминокиселините се различават. Както се вижда от Приложение I, химическата природа на радикалите е разнообразна: от водороден атом до циклични съединения. Именно радикалите определят структурните и функционални характеристики на аминокиселините.

Всички аминокиселини, с изключение на най-простия аминооцетен към вас глицин (NH3 + СН2СОО) имат хирален С атом и могат да съществуват под формата на два енантиомера (оптични изомери):

Всички изследвани понастоящем протеини включват само аминокиселини от L-серията, в които, ако разгледаме хиралния атом от страната на Н атома, NH групите3 +, COO и радикал R са по посока на часовниковата стрелка. Необходимостта от конструиране на биологично значима полимерна молекула за изграждането й от строго определен енантиомер е очевидна - от рацемична смес от два енантиомера би се получила невероятно сложна смес от диастереоизомери. Въпросът защо животът на Земята се основава на протеини, изградени специално от L-, а не от D-аминокиселини, все още е интригуваща загадка. Трябва да се отбележи, че D-аминокиселините са доста широко разпространени в живата природа и освен това са част от биологично значими олигопептиди.

Протеините са изградени от двадесетте основни β-аминокиселини, но останалите, доста разнообразни аминокиселини се образуват от тези 20 аминокиселинни остатъка, които вече са в протеиновата молекула. Сред тези трансформации трябва да се отбележи преди всичко образуването на дисулфидни мостове при окисляване на два цистеинови остатъка в състава на вече образувани пептидни вериги. В резултат на това от два цистеинови остатъка се образува цистинов диаминодикарбоксилна киселина (вж. Допълнение I). Това води до омрежване или в една и съща полипептидна верига, или между две различни вериги. Като малък протеин, имащ две полипептидни вериги, свързани чрез дисулфидни мостове, както и омрежване в една от полипептидните вериги:

Важен пример за модифициране на аминокиселинните остатъци е превръщането на остатъци от пролин в хидроксипролинови остатъци:

Тази трансформация се случва и в значителен мащаб по време на формирането на важен протеинов компонент на съединителната тъкан - колаген.

Друг много важен вид протеинова модификация е фосфорилирането на хидроксилни групи от серинови, треонинови и тирозинови остатъци, например:

Аминокиселините във воден разтвор са в йонизирано състояние поради дисоциацията на амино и карбоксилни групи, съставляващи радикалите. С други думи, те са амфотерни съединения и могат да съществуват или като киселини (протонни донори), или като основи (донори).

Всички аминокиселини, в зависимост от структурата, са разделени на няколко групи:

Ациклична. Моноаминомонокарбоксилните аминокиселини имат една аминна и една карбоксилна групи в състава си, те са неутрални във воден разтвор. Някои от тях имат общи структурни характеристики, което ни позволява да ги разглеждаме заедно:

Глицин и аланин. Глицинът (гликокол или аминооцетна киселина) е оптически неактивен - това е единствената аминокиселина, която няма енациомери. Глицинът участва в образуването на нуклеинови и жлъчни антитела, хем е необходим за неутрализиране на токсични продукти в черния дроб. Аланинът се използва от организма при различни процеси на въглехидрат и енергиен метаболизъм. Изомерът му-аланин е неразделна част от пантотеновия витамин К-ти, коензим А (КоА), мускулни екстрактиви.

Цистеин и метионин. Аминокиселини, съдържащи серен атом. Стойността на цистеина се определя от наличието в неговия състав на сулфхидрилна (- SH) група, което му дава способността лесно да окислява и защитава организма от вещества с висока окислителна способност (в случай на радиационно увреждане, отравяне с фосфор). Метионинът се характеризира с наличието на лесно подвижна метилова група, използвана за синтеза на важни съединения в организма (холин, креатин, тимин, адреналин и др.)

Валин, левцин и изолевцин. Те са разклонени аминокиселини, които участват активно в метаболизма и не се синтезират в организма..

Моноаминодикарбоксилните аминокиселини имат една аминна и две карбоксилни групи и дават кисела реакция във воден разтвор. Те включват аспарагин и глутамин за вас, аспарагин и глутамин. Те са част от инхибиращите медиатори на нервната система.

Диаминомонокарбоксилните аминокиселини във воден разтвор имат алкална реакция поради наличието на две аминови групи. Свързаният с тях лизин е необходим за синтеза на хистони, а също и в редица ензими. Аргининът участва в синтеза на урея, креатин.

Циклична. Тези аминокиселини имат ароматно или хетероциклично ядро ​​в състава си и като правило не се синтезират в човешкото тяло и трябва да идват от храната. Те участват активно в различни метаболитни процеси. Така че фенилаланинът е основният източник на синтез на тирозин - предшественик на редица биологично важни вещества: хормони (тироксин, адреналин), някои пигменти. Триптофанът, освен че участва в синтеза на протеини, служи като компонент на витамин РР, серотонин, триптамин и редица пигменти. Хистидинът е необходим за синтеза на протеини, е предшественик на хистамина, който влияе на кръвното налягане и секрецията на стомашния сок.

ГЛАВА 4. СТРУКТУРА

При изучаването на състава на протеините беше установено, че всички те са изградени на един принцип и имат четири нива на организация: първично, вторично, третично и някои от тях имат кватернерна структура.

4.1 Първична структура

Това е линейна верига от аминокиселини, разположени в специфична последователност и свързани помежду си чрез пептидни връзки. Пептидната връзка се образува поради β-карбоксилната група на една аминокиселина и β-амино групата на друга:

Пептидната връзка, дължаща се на р, конюгирането, връзката на карбонилната група и р-орбитата на N атома, върху която е разположена неразделена двойка електрони, не може да се счита за единична и на практика няма въртене около нея. По същата причина хиралният атом С и карбониловият атом С k на всеки i-ти аминокиселинен остатък от пептидната верига и атомите на N и С (i + 1) -ти остатък са в една и съща равнина. Карбониловият атом О и амидният атом Н са в една и съща равнина (материалът, натрупан при изучаването на структурата на протеините, показва, че това твърдение не е съвсем строго: атомите, свързани с азотния пептиден азот, не са в една и съща равнина с него, а образуват триградна пирамида с ъгли между връзките, много близки до 120. Следователно между равнини, образувани от С атомиаз, ° Саз к, оаз и Nаз+1, Наз+1, ° Саз+1, има определен ъгъл, който се различава от 0. Но, като правило, той не надвишава 1 и не играе специална роля). Следователно, геометрично полипептидна верига може да се счита за образувана от такива равнинни фрагменти, съдържащи по шест атома всеки. Относителното положение на тези фрагменти, подобно на всяко относително положение на две равнини, трябва да се определя от два ъгъла. Като такова е обичайно да се вземат торсионни ъгли, характеризиращи въртенето около връзките N C и C C k.

Геометрията на всяка молекула се определя от три групи геометрични характеристики на нейните химични връзки - дължини на връзки, валентни ъгли и торсионни ъгли между връзки, съседни на съседни атоми. Първите две групи решаващо се определят от естеството на участващите атоми и образуваните връзки. Следователно пространствената структура на полимерите се определя главно от торсионните ъгли между единиците на полимерната опора на молекулите, т.е. конформация на полимерната верига. Торсион ъгъл, т.е. ъгълът на въртене на връзката AB около връзката B-C спрямо C-D връзката се определя като ъгълът между равнини, съдържащи атоми A, B, C и атоми B, C, D.

Освен това, както се вижда от фигурата, ориентацията на фрагмента, съдържащ С атомиаз-1 и Саз [(i-1) ти фрагмент] и фрагмент, съдържащ С атомиаз и Саз+1 (i-ти фрагмент), се определя от торсионни ъгли, съответстващи на въртене около връзката Nаз° Саз и комуникация Cаз ° Саз к. Обикновено тези ъгли се означават като и в дадения случай аз и аз. Техните стойности за всички мономерни единици на полипептидната верига се определят главно от геометрията на тази верига. Не съществуват недвусмислени стойности нито за стойността на всеки от тези ъгли, нито за техните комбинации, въпреки че и двамата се налагат ограничения, определени както от свойствата на самите пептидни фрагменти, така и от естеството на страничните радикали, т.е. естеството на аминокиселинните остатъци.

Към днешна дата аминокиселинните последователности са създадени за няколко хиляди различни протеина. Писането на структурата на протеините под формата на разширени структурни формули е тромаво и не е визуално. Затова се използва съкратена форма на писане - трибуквена или еднобуквена (молекула вазопресин):

Когато се пише аминокиселинната последователност в полипептидни или олигопептидни вериги, като се използват съкратени символи, се приема, освен ако не е изрично посочено, че -амино групата е отляво, а -карбоксилната група е отдясно. Съответните секции на полипептидната верига се наричат ​​N-край (аминен край) и С-край (карбоксилен край), а аминокиселинните остатъци се наричат ​​съответно N-терминални и С-крайни остатъци..

4.2 Вторична структура

Фрагменти от пространствената структура на биополимер с периодична структура на полимерно ядро ​​се считат за елементи на вторична структура.

Ако ъглите от същия тип, които се обсъждат на страница 15, са приблизително еднакви в определен участък от веригата, тогава структурата на полипептидната верига става периодична. Има два класа такива структури - спирални и удължени (плоски или сгънати).

Спирала е структура, в която всички атоми от един и същи тип лежат на една и съща спирала. В този случай спиралата се счита за правилна, ако се наблюдава по оста на спиралата, тя се отдалечава от наблюдателя по посока на часовниковата стрелка и лява, ако се движи обратно на часовниковата стрелка. Полипептидната верига има спирална конформация, ако всички С атоми са на една и съща спирала, всички карбонилни атоми C k са на другата, всички N атоми са на третата и стъпката на спиралата за всичките три групи атоми трябва да е еднаква. Броят на атомите на един завъртане на спиралата трябва да е еднакъв, независимо дали участват C k, C или N. атомите Разстоянието до общата спирала за всеки от тези три типа атоми е различно..

Основните елементи на вторичната структура на протеините са α-спирали и β-гънки.

Спирална протеинова структура. За полипептидните вериги са известни няколко различни вида спирали. Сред тях най-често срещаната дясна спирала. Идеалната α-спирала има стъпка от 0,54 nm, а броят на атомите от един и същ тип на намотка от спиралата е 3,6, което означава пълна честота на пет оборота на намотката след всеки 18 остатъка от аминокиселина. Стойностите на торсионните ъгли за идеална α-спирала = - 57 = - 47, а разстоянието от атомите, образуващи полипептидната верига до оста на спиралата, е 0,15 nm за N, 0,23 nm за C и 0,17 nm за C k. Всяка конформация съществува при условие, че има фактори, които я стабилизират. В случая на α-спирала такива фактори са водородни връзки, образувани от всеки карбонилен атом на (i + 4) -тия фрагмент. Важен фактор за стабилизиране на α-спиралата е и паралелната ориентация на диполните моменти на пептидните връзки.

Сгънатата структура на протеина. Един често срещан пример за сгъната периодична протеинова структура е т.нар. гънки, състоящи се от два фрагмента, всеки от които е представен от полипептид.

-гънките също са стабилизирани от водородни връзки между водородния атом на аминовата група на един фрагмент и кислородния атом на карбоксилната група на другия фрагмент. Освен това фрагментите могат да имат както паралелна, така и антипаралелна ориентация един спрямо друг.

Структурата в резултат на такива взаимодействия е гофрирана структура. Това се отразява на стойностите на торсионните ъгли и. Ако в плоска, напълно опъната структура те трябва да са били 180, тогава в реални β-слоеве те имат стойности = - 119 и = + 113. За да могат два участъка от полипептидната верига да бъдат подредени в ориентация, благоприятстваща образуването на β-гънки, между тях трябва да има парцел със структура, която се различава рязко от периодичната.

4.2.1 Фактори, влияещи върху формирането на вторична структура

Структурата на определен участък от полипептидната верига значително зависи от структурата на молекулата като цяло. Фактори, влияещи върху формирането на райони с определена вторична структура, са много разнообразни и далеч не са напълно идентифицирани във всички случаи. Известно е, че редица аминокиселинни остатъци се намират за предпочитане в β-спирални фрагменти, редица други в β-гънки, някои аминокиселини главно в региони, лишени от периодична структура. Вторичната структура до голяма степен се определя от първичната структура. В някои случаи физическият смисъл на такава зависимост може да се разбере от стереохимичен анализ на пространствената структура. Например, както може да се види от фигурата на α-спирала, не само страничните радикали на аминокиселинни остатъци, съседни по веригата, се събират, но също така и някои двойки остатъци, разположени на съседни завои на спиралата, предимно всеки (i + 1) остатък с (i + 4) -m и с (i + 5) -m. Следователно в позициите (i + 1) и (i + 2), (i + 1) и (i + 4), (i + 1) и (i + 5) -спирали, два обемни радикала рядко рядко се срещат едновременно, като напр. като странични радикали на тирозин, триптофан, изолевцин. Едновременното присъствие на три обемисти остатъка в позиции (i + 1), (i + 2) и (i + 5) или (i + 1), (i + 4) и (i + 5) е още по-малко съвместимо със спиралната структура. Следователно, такива комбинации от аминокиселини в α-спирални фрагменти са рядко изключение..

4.3 Третична структура

Под този термин се разбира пълното сгъване в пространството на цялата полипептидна верига, включително сгъването на странични радикали. Координатите на всички атоми на протеина дават пълна картина на третичната структура. Поради огромния успех на рентгенографския анализ, такива данни, с изключение на координатите на водородните атоми, са получени за значителен брой протеини. Това са огромни количества информация, съхранявани в специални банки с данни на компютърно четими носители и тяхната обработка е немислима без използване на високоскоростни компютри. Атомните координати, получени на компютри, дават пълна информация за геометрията на полипептидната верига, включително стойностите на торсионните ъгли, което позволява да се разкрие спирална структура, гънки или неправилни фрагменти. Пример за такъв изследователски подход е следният пространствен модел на структурата на ензимната фосфоглицерат киназа:

Общата структура на фосфоглицерат киназата. За по-голяма яснота спиралните секции са представени под формата на цилиндри, а гънките са под формата на панделки със стрелка, посочваща посоката на веригата от N-края към C-края. Линии - неправилни секции, свързващи структурирани фрагменти.

Изображението на пълната структура дори на малка протеинова молекула в равнина, независимо дали е страница на книга или екран, не е много информативно поради изключително сложната структура на обекта. За да се даде възможност на изследователя да визуализира пространствената структура на молекулите на сложни вещества, се използва триизмерна компютърна графика за показване на отделни части от молекулите и манипулиране с тях, по-специално, завъртане им под прав ъгъл.

Третичната структура се образува в резултат на нековалентни взаимодействия (електростатични, йонни, ван дер Ваалс сили и др.) На странични радикали, рамкиращи α-спирали и β-гънки, и непериодични фрагменти от полипептидната верига. Сред облигациите, притежаващи третичната структура, трябва да се отбележи:

а) дисулфиден мост (- S - S -)

б) естерен мост (между карбоксилната група и хидроксилната група)

в) солен мост (между карбоксилната група и амино групата)

ж) водородни връзки.

В съответствие с формата на протеиновата молекула, дължаща се на третичната структура, се разграничават следните групи протеини:

Глобуларни протеини. Пространствената структура на тези протеини в грубо приближение може да бъде представена под формата на топка или не твърде удължен елипсоид - глобула. По правило значителна част от полипептидната верига от такива протеини образува β-спирали и β-гънки. Съотношението между тях може да бъде много различно. Например, миоглобинът (повече за него на стр. 28) има 5 спирални сегмента и няма нито една гънка. В имуноглобулините (за повече подробности, вижте стр. 42), напротив, β-гънките са основните елементи на вторичната структура, а β-спиралите обикновено липсват. В горната структура на фосфоглицерат киназата и двата типа структури са представени приблизително еднакво. В някои случаи, както се вижда в примера с фосфоглицерат киназа, две или повече ясно разделени в пространството (но въпреки това, разбира се, свързани с пептидни мостове), частите са ясно видими - домейни. Често различните функционални зони на протеин са разпространени в различни домейни.

Фибриларни протеини. Тези протеини имат удължена нишковидна форма, изпълняват структурна функция в организма. В първичната структура те имат повтарящи се секции и образуват вторична структура, която е напълно еднаква за цялата полипептидна верига. И така, протеинът-креатин (основният протеинов компонент на ноктите, косата, кожата) е изграден от дълги α-спирали. Коприненият фиброин се състои от периодично повтарящи се фрагменти от Gly - Ala - Gly - Ser, образуващи β-гънки. Има по-рядко срещани елементи от вторичната структура, например полипептидни колагенови вериги, които образуват леви спирали с параметри, които се различават рязко от параметрите на α-спиралите. В колагеновите влакна три спирални полипептидни вериги са усукани в една дясна супермотка:

4.4 Кватернерна структура

В повечето случаи за функционирането на протеините е необходимо няколко полимерни вериги да бъдат комбинирани в един комплекс. Такъв комплекс се счита и за протеин, състоящ се от няколко субединици. Субединичната структура често се появява в научната литература като кватернерна структура.

Протеините, състоящи се от няколко субединици, са широко разпространени в природата. Класически пример е кватернерната структура на хемоглобина (за повече подробности вижте стр. 26). субединици обикновено се означават с гръцки букви. Хемоглобинът има две субединици всяка. Наличието на няколко субединици е важно във функционално отношение - това увеличава степента на насищане с кислород. Четворната структура на хемоглобина е означена като 22.

Структурата на субединицата е характерна за много ензими, предимно за тези, които изпълняват сложни функции. Например, РНК полимеразата от Е. coli има структура на субединица 2', т.е. изграден от четири подтипа от различни видове, като подразделението е дублирано. Този протеин изпълнява сложни и разнообразни функции - инициира ДНК, свързва субстрати - рибонуклеозидни трифосфати, а също така прехвърля нуклеотидни остатъци към нарастващата полирибонуклеотидна верига и някои други функции.

Работата на много протеини е подчинена на т.нар алостерична регулация - специални съединения (ефектори) "изключват" или "включват" активността на активния център на ензима. Такива ензими имат специални места за разпознаване на ефектор. И дори има специални регулаторни подразделения, които също включват тези области. Класически пример са ензимите на протеин киназата, които катализират прехвърлянето на остатък от фосфорна киселина от молекула на АТФ към субстратните протеини.

Протеините имат високо молекулно тегло, някои са разтворими във вода, способни да набъбват, характеризират се с оптична активност, подвижност в електрическо поле и някои други свойства.

Протеините активно влизат в химични реакции. Това свойство се дължи на факта, че аминокиселините, които съставляват протеините, съдържат различни функционални групи, които могат да реагират с други вещества. Важно е такива взаимодействия да се случват и вътре в протеиновата молекула, в резултат на което се образуват пептид, водороден дисулфид и други видове връзки. Различни съединения и йони могат да се присъединят към радикалите на аминокиселините и следователно протеините, което осигурява тяхното транспортиране през кръвта.

Протеините са високомолекулни съединения. Това са полимери, състоящи се от стотици и хиляди аминокиселинни остатъци - мономери. Съответно молекулното тегло на протеините е в диапазона от 10 000-1 000 000. И така, съставът на рибонуклеаза (ензим, който разцепва РНК) съдържа 124 аминокиселинни остатъка, а молекулното му тегло е приблизително 14 000. Миоглобин (мускулен протеин), състоящ се от 153 аминокиселинни остатъци. има молекулно тегло 17 000, а хемоглобин - 64 500 (остатъци от аминокиселини от 574). Молекулните тегла на други протеини са по-високи: -глобулинът (образува антитела) се състои от 1250 аминокиселини и има молекулно тегло около 150 000, а молекулното тегло на ензима глутамат дехидрогеназа надвишава 1 000 000.

Определянето на молекулната маса се извършва по различни методи: осмометрична, филтриране на гел, оптичен и др., Но най-точен е методът на утаяване, предложен от Т. Шведбърг. Той се основава на факта, че по време на ускоряване на ултрацентрифугирането до 900 000 g, скоростта на отлагане на протеина зависи от тяхното молекулно тегло.

Най-важното свойство на протеините е способността им да проявяват както киселинни, така и основни, тоест да действат като амфотерни електролити. Това се осигурява от различни дисоцииращи групи, които са част от аминокиселинните радикали. Например, карбоксилните групи на аминокиселини от аспарагинова глутамин придават киселинни свойства на протеин, а алкалните радикали се дават от аргининови, лизинови и хистидинови радикали. Колкото повече дикарбоксилни аминокиселини се съдържат в един протеин, толкова по-силно се проявяват неговите киселинни свойства и обратно.

Тези групи имат и електрически заряди, които формират общия заряд на протеиновата молекула. В протеините, където преобладават аспарагините и глутаминовите аминокиселини, протеиновият заряд ще бъде отрицателен, излишъкът от основни аминокиселини дава положителен заряд на протеиновата молекула. В резултат на това в електрическо поле протеините ще се преместят в катода или анода, в зависимост от величината на общия им заряд. И така, в алкална среда (pH 7-14) протеинът отделя протон и се зарежда отрицателно, докато в кисела среда (pH 1-7) дисоциацията на киселинните групи се потиска и протеинът се превръща в катион.

По този начин, факторът, определящ поведението на протеин като катион или анион, е реакцията на средата, която се определя от концентрацията на водородни йони и се изразява от стойността на рН. При определени стойности на pH обаче броят на положителните и отрицателните заряди се изравнява и молекулата става електрически неутрална, т.е. Той няма да се движи в електрическо поле. Това рН на средата се определя като изоелектрична точка на протеините. В този случай протеинът е в най-малко стабилно състояние и с леки промени в pH, киселата или алкална страна лесно се утаява. За повечето естествени протеини изоелектричната точка е в слабо кисела среда (pH 4,8 - 5,4), което показва преобладаването на дикарбоксилни аминокиселини в техния състав.

Амфотерното свойство е в основата на буферните свойства на протеините и тяхното участие в регулирането на pH на кръвта. Стойността на pH на човешката кръв е постоянна и варира от 7,36 до 7,4, въпреки различни вещества от киселинен или основен характер, редовно се снабдяват с храна или се образуват в метаболитни процеси - следователно, съществуват специални механизми за регулиране на киселинно-алкалния баланс на вътрешната среда на организма. Такива системи включват разгледаните в разд. „Класификация“ на буферната система за хемоглобин (стр. 28). Промяна в pH на кръвта над 0,07 показва развитието на патологичен процес. Преместването на pH към киселата страна се нарича ацидоза, а към алкалната - алкалоза.

От голямо значение за организма е способността на протеините да адсорбират върху повърхността си някои вещества и йони (хормони, витамини, желязо, мед), които са слабо разтворими във вода или токсични (билирубин, свободни мастни киселини). Протеините ги транспортират с кръв до места на по-нататъшни трансформации или неутрализиране.

Водните разтвори на протеини имат свои собствени характеристики. Първо, протеините имат висок афинитет към водата, т.е. те са хидрофилни. Това означава, че протеиновите молекули, като заредени частици, привличат водни диполи, които са разположени около протеиновата молекула и образуват водна или хидратирана обвивка. Тази обвивка предпазва протеиновите молекули от залепване и утаяване. Размерът на хидратационната обвивка зависи от структурата на протеина. Например, албуминът се свързва по-лесно с водни молекули и има сравнително голяма водна обвивка, докато глобулини, фибриноген свързват водата по-лошо, а хидратационната обвивка е по-малка. По този начин стабилността на воден протеинов разтвор се определя от два фактора: наличието на заряд на протеиновата молекула и водната мембрана, разположена около нея. Когато тези фактори се отстранят, протеинът се утаява. Този процес може да бъде обратим и необратим..