Введение в биологию (III)
Тема III
БЕЛКИ
Белки, или протеины - огромные молекулы, которые есть во всех современных живых организмах. Термин “белок” (albumin) был в ходу еще с XVIII века и относился к веществам, подобным белку куриного яйца. Термин “протеин” (от греч. πρώτειος, “первичный”) предложил в 1838 году Йенс Якоб Берцелиус (Jöns Jakob Berzelius), известный также как автор терминов “изомерия”, “аллотропия”, “катализ”, “органическая химия” (Vickery, 1950). По-русски “белок” и “протеин” - синонимы.
Берцелиус имел в виду, что “протеины” суть некие первичные строительные блоки живых организмов, и был совершенно прав. По смыслу “протеин” безусловно точнее, чем “белок”, но так уж исторически сложилось, что в русском научном языке “белок” употребляется гораздо чаще, и мы будем этому следовать.
Белки относятся к полимерам, то есть молекулам, состоящим из множества однотипных (но не обязательно одинаковых) звеньев-мономеров. На картинке - два примера случайно выбранных простых полимеров, не имеющих к белкам никакого отношения. Это углеводороды - полиэтилен и полистирол.
Мономерами всех белков являются альфа-аминокислоты, то есть такие аминокислоты, у которых аминогруппа и карбоксильная группа связаны с одним и тем же атомом углерода. Перед нами их общая формула. R (радикал) - как всегда, изменяемая часть молекулы.
Напомним, что аминогруппа и карбоксильная группа, которые по определению есть в любой аминокислоте, в водном растворе ионизируются. Вот тут альфа-аминокислота изображена в двух вариантах: слева - стандартный вид, справа - цвиттер-ион, где карбоксильная группа потеряла протон, а аминогруппа, наоборот, приобрела его. Заодно можно обратить внимание на то, что отрицательный заряд в цвиттер-ионе на самом деле делокализован ("размазан") между двумя атомами кислорода карбоксильной группы, а не привязан строго к одному из них.
Почему альфа-аминокислоты называются "альфа" и при чем тут вообще греческие буквы? Чтобы разобраться, посмотрим внимательно вот на эту формулу:
Атомы углерода, образующие аминокислоту, принято обозначать по порядку греческими буквами, считая от карбоксильной группы (сама она в счет не идет). Таким образом, первый атом углерода после карбоксила - это альфа-атом, второй - бета-атом, третий - гамма-атом и так далее. Аминокислоты классифицируются по тому, к какому атому углерода присоединена аминогруппа: альфа-аминокислоты - к первому, бета-аминокислоты - ко второму, и так далее, опять же. В состав белков, как уже сказано, входят только альфа-аминокислоты. А вот на картинке у нас в данном случае гамма-аминокислота. Конкретно это соединение называется гамма-аминомасляной кислотой (ГАМК) и присутствует в некоторых живых организмах, во-первых, как промежуточный продукт обмена, а во-вторых, как нейротрансмиттер - сигнальное вещество, передающее возбуждение от одной нервной клетки к другой. Ни в какие белки ГАМК, разумеется, не входит.
Вот простенькая иллюстрация того, как альфа-аминокислоты соединяются в белок. От карбоксила одной аминокислоты отщепляется -OH, от аминогруппы другой -H, из них образуется вода (H-O-H), а остатки аминокислот соединяются по свободным валентностям связью, которая называется пептидной. Цепочка аминокислот, соединенных пептидными связями, соответственно называется пептидом. Это более широкое понятие, чем белок; иначе говоря, все белки - пептиды, но не все пептиды - белки.
Тут мы видим более красивую и подробную схему, изображающую, однако, абсолютно то же самое. Разберемся в ней. Во-первых, после замыкания пептидной связи в возникшей новой молекуле тем самым образуется пептидная группа -CO-NH-. Во-вторых, обе аминокислоты теперь показаны в ионизированном виде - как мы уже знаем, это скорее всего соответствует действительности, хотя и не имеет для нас сейчас принципиального значения. В-третьих, радикалы аминокислот - R1 и R2 - в общем случае, конечно, могут быть разными. И в-четвертых, реакция образования пептида тут показана идущей в обе стороны, то есть обратимой. В самом деле, пептиды могут как синтезироваться, так и распадаться обратно на отдельные аминокислоты.
Короткие пептиды называются или по числу аминокислотных остатков (дипептид, трипептид, тетрапептид...), или просто олигопептидами.
В состав белков входит 20 стандартных аминокислот. Самые простые из них - глицин и аланин. У глицина радикал представляет собой просто атом водорода, а у аланина метильную группу. Аминокислоты, входящие в состав белков, коротко называют протеиногенными.
Для читателей-эрудитов добавим, что нестандартные аминокислоты (селеноцистеин, пирролизин, гидроксилизин, гидроксипролин) так или иначе являются производными стандартных и нас пока не интересуют. Наша задача - разобраться с основами.
Так выглядит образование дипептида из глицина и аланина. Обратим внимание, что это всего лишь один из двух возможных вариантов. Тут в создании пептидной связи участвуют карбоксильная группа глицина и аминогруппа аланина. Могло бы быть и наоборот, и тогда это был бы другой дипептид.
Еще три аминокислоты с углеводородными радикалами, более сложными, чем у аланина. Видим, что лейцин и изолейцин - изомеры, они отличаются всего лишь положением одной метильной группы.
Две аминокислоты с ароматическим ядром в радикале: фенилаланин и тирозин. Стрелка показывает, что тирозин является биохимическим производным фенилаланина. У фенилаланина радикал чисто углеводородный, у тирозина там есть еще спиртовая группа.
Еще две интересные аминокислоты - серин и цистеин. В серине есть гидроксильная группа, то есть, иначе говоря, радикал у него спиртовой. В цистеине есть ранее не встречавшаяся нам сульфгидрильная группа -SH. Валентность серы (S) здесь 2.
Теперь посмотрим на эту молекулу. Свежего человека такая формула, возможно, напугала бы, но у нас сейчас уже достаточно знаний, чтобы разглядеть в ней функциональные группы и сказать: это трипептид из остатков аланина, тирозина и цистеина. На его концах, как и положено, находятся свободные амино- и карбоксильная группы (на самом деле в растворе они ионизированы). Для краткости конец пептида со свободной аминогруппой всегда называют N-концом, а конец со свободной карбоксильной группой - C-концом.
Все протеиногенные аминокислоты, перечисленные до сих пор, являются нейтральными (как показанный на картинке для примера валин). Это означает, что в растворе такая аминокислота имеет нулевой заряд: карбоксильная группа и аминогруппа, будучи обе ионизированными, компенсируют друг друга, а других заряженных групп тут нет. На самом деле заряд такой аминокислоты будет строго нулевым не всегда, а только при определенной кислотности раствора, но мы сейчас берем идеальный случай.
Существуют отрицательно заряженные аминокислоты, у которых в радикале есть карбоксильная группа. Перед нами две такие аминокислоты - аспартат и глутамат. Отличаются они фактически только на один атом углерода в цепочке-радикале.
Примечание. В биохимии названия кислот и их солей очень часто используются как синонимы: в растворе, в диссоциированном виде, они все равно неотличимы. Например, аспартат - это на самом деле соль аспарагиновой кислоты, а глутамат - соль глутаминовой кислоты, но реально "глутаминовая кислота" и "глутамат" - это одно и то же; последнее название предпочитают просто для краткости. Дело в том, что соль - это по сути не что иное, как кислота, у которой на месте протона любой другой катион. Если такая молекула ионизирована и не имеет никаких катионов вообще, то за ней обычно оставляют название соответствующей соли. Именно это мы на примере аспартата с глутаматом и видим.
Аспарагиновая и глутаминовая кислоты в неионизированном виде. Сейчас это именно кислоты, но их все равно могут обозвать аспартатом и глутаматом для удобства.
Глутамат интересен не только тем, что входит в состав белков, но и тем, что является очень важным и широко распространенным нейротрансмиттером, то есть веществом, передающим сигналы в нервной системе. К тому же к глутамату чувствительны наши вкусовые рецепторы, и его часто добавляют в пищу, причем как в виде кислоты (пищевая добавка E620), так и в виде натриевой соли (пищевая добавка Е621).
Пример положительно заряженной аминокислоты - лизин (в ионизированном и стандартном виде). Тут, как видим, в радикале присутствует аминогруппа, которая ведет себя, как аминогруппе и положено - приобретает протон.
Аргинин - положительно заряженная аминокислота, в радикал которой входит довольно экзотичная гуанидиновая группа (больше она нам нигде не встретится). Положительный заряд в радикале аргинина делокализован между двумя атомами азота, поэтому электростатическое действие у него эффективнее, чем у такого же заряда в лизине; грубо говоря, он надежнее притягивает к себе "минус". Также обратим внимание, что на правой картинке углеродные атомы по порядку подписаны греческими буквами; в данном случае гуанидиновая группа соединена с эпсилон-атомом.
Подводя итог, мы можем разделить известные нам аминокислоты на четыре группы по типам радикалов:
● Нейтральные гидрофобные (аланин, валин, лейцин, изолейцин, фенилаланин).
● Нейтральные гидрофильные (серин, цистеин, тирозин).
● Отрицательно заряженные (аспартат, глутамат).
● Положительно заряженные (лизин, аргинин).
Особое положение занимает самая простая из всех возможных аминокислот - глицин, у которого вместо радикала атом водорода.
Очевидно, что свойства радикалов сильно влияют на поведение пептидной цепочки в растворе. Об этом - дальше.
БЕЛКИ
Белки, или протеины - огромные молекулы, которые есть во всех современных живых организмах. Термин “белок” (albumin) был в ходу еще с XVIII века и относился к веществам, подобным белку куриного яйца. Термин “протеин” (от греч. πρώτειος, “первичный”) предложил в 1838 году Йенс Якоб Берцелиус (Jöns Jakob Berzelius), известный также как автор терминов “изомерия”, “аллотропия”, “катализ”, “органическая химия” (Vickery, 1950). По-русски “белок” и “протеин” - синонимы.
Берцелиус имел в виду, что “протеины” суть некие первичные строительные блоки живых организмов, и был совершенно прав. По смыслу “протеин” безусловно точнее, чем “белок”, но так уж исторически сложилось, что в русском научном языке “белок” употребляется гораздо чаще, и мы будем этому следовать.
Белки относятся к полимерам, то есть молекулам, состоящим из множества однотипных (но не обязательно одинаковых) звеньев-мономеров. На картинке - два примера случайно выбранных простых полимеров, не имеющих к белкам никакого отношения. Это углеводороды - полиэтилен и полистирол.
Мономерами всех белков являются альфа-аминокислоты, то есть такие аминокислоты, у которых аминогруппа и карбоксильная группа связаны с одним и тем же атомом углерода. Перед нами их общая формула. R (радикал) - как всегда, изменяемая часть молекулы.
Напомним, что аминогруппа и карбоксильная группа, которые по определению есть в любой аминокислоте, в водном растворе ионизируются. Вот тут альфа-аминокислота изображена в двух вариантах: слева - стандартный вид, справа - цвиттер-ион, где карбоксильная группа потеряла протон, а аминогруппа, наоборот, приобрела его. Заодно можно обратить внимание на то, что отрицательный заряд в цвиттер-ионе на самом деле делокализован ("размазан") между двумя атомами кислорода карбоксильной группы, а не привязан строго к одному из них.
Почему альфа-аминокислоты называются "альфа" и при чем тут вообще греческие буквы? Чтобы разобраться, посмотрим внимательно вот на эту формулу:
Атомы углерода, образующие аминокислоту, принято обозначать по порядку греческими буквами, считая от карбоксильной группы (сама она в счет не идет). Таким образом, первый атом углерода после карбоксила - это альфа-атом, второй - бета-атом, третий - гамма-атом и так далее. Аминокислоты классифицируются по тому, к какому атому углерода присоединена аминогруппа: альфа-аминокислоты - к первому, бета-аминокислоты - ко второму, и так далее, опять же. В состав белков, как уже сказано, входят только альфа-аминокислоты. А вот на картинке у нас в данном случае гамма-аминокислота. Конкретно это соединение называется гамма-аминомасляной кислотой (ГАМК) и присутствует в некоторых живых организмах, во-первых, как промежуточный продукт обмена, а во-вторых, как нейротрансмиттер - сигнальное вещество, передающее возбуждение от одной нервной клетки к другой. Ни в какие белки ГАМК, разумеется, не входит.
Вот простенькая иллюстрация того, как альфа-аминокислоты соединяются в белок. От карбоксила одной аминокислоты отщепляется -OH, от аминогруппы другой -H, из них образуется вода (H-O-H), а остатки аминокислот соединяются по свободным валентностям связью, которая называется пептидной. Цепочка аминокислот, соединенных пептидными связями, соответственно называется пептидом. Это более широкое понятие, чем белок; иначе говоря, все белки - пептиды, но не все пептиды - белки.
Тут мы видим более красивую и подробную схему, изображающую, однако, абсолютно то же самое. Разберемся в ней. Во-первых, после замыкания пептидной связи в возникшей новой молекуле тем самым образуется пептидная группа -CO-NH-. Во-вторых, обе аминокислоты теперь показаны в ионизированном виде - как мы уже знаем, это скорее всего соответствует действительности, хотя и не имеет для нас сейчас принципиального значения. В-третьих, радикалы аминокислот - R1 и R2 - в общем случае, конечно, могут быть разными. И в-четвертых, реакция образования пептида тут показана идущей в обе стороны, то есть обратимой. В самом деле, пептиды могут как синтезироваться, так и распадаться обратно на отдельные аминокислоты.
Короткие пептиды называются или по числу аминокислотных остатков (дипептид, трипептид, тетрапептид...), или просто олигопептидами.
В состав белков входит 20 стандартных аминокислот. Самые простые из них - глицин и аланин. У глицина радикал представляет собой просто атом водорода, а у аланина метильную группу. Аминокислоты, входящие в состав белков, коротко называют протеиногенными.
Для читателей-эрудитов добавим, что нестандартные аминокислоты (селеноцистеин, пирролизин, гидроксилизин, гидроксипролин) так или иначе являются производными стандартных и нас пока не интересуют. Наша задача - разобраться с основами.
Так выглядит образование дипептида из глицина и аланина. Обратим внимание, что это всего лишь один из двух возможных вариантов. Тут в создании пептидной связи участвуют карбоксильная группа глицина и аминогруппа аланина. Могло бы быть и наоборот, и тогда это был бы другой дипептид.
Еще три аминокислоты с углеводородными радикалами, более сложными, чем у аланина. Видим, что лейцин и изолейцин - изомеры, они отличаются всего лишь положением одной метильной группы.
Две аминокислоты с ароматическим ядром в радикале: фенилаланин и тирозин. Стрелка показывает, что тирозин является биохимическим производным фенилаланина. У фенилаланина радикал чисто углеводородный, у тирозина там есть еще спиртовая группа.
Еще две интересные аминокислоты - серин и цистеин. В серине есть гидроксильная группа, то есть, иначе говоря, радикал у него спиртовой. В цистеине есть ранее не встречавшаяся нам сульфгидрильная группа -SH. Валентность серы (S) здесь 2.
Теперь посмотрим на эту молекулу. Свежего человека такая формула, возможно, напугала бы, но у нас сейчас уже достаточно знаний, чтобы разглядеть в ней функциональные группы и сказать: это трипептид из остатков аланина, тирозина и цистеина. На его концах, как и положено, находятся свободные амино- и карбоксильная группы (на самом деле в растворе они ионизированы). Для краткости конец пептида со свободной аминогруппой всегда называют N-концом, а конец со свободной карбоксильной группой - C-концом.
Все протеиногенные аминокислоты, перечисленные до сих пор, являются нейтральными (как показанный на картинке для примера валин). Это означает, что в растворе такая аминокислота имеет нулевой заряд: карбоксильная группа и аминогруппа, будучи обе ионизированными, компенсируют друг друга, а других заряженных групп тут нет. На самом деле заряд такой аминокислоты будет строго нулевым не всегда, а только при определенной кислотности раствора, но мы сейчас берем идеальный случай.
Существуют отрицательно заряженные аминокислоты, у которых в радикале есть карбоксильная группа. Перед нами две такие аминокислоты - аспартат и глутамат. Отличаются они фактически только на один атом углерода в цепочке-радикале.
Примечание. В биохимии названия кислот и их солей очень часто используются как синонимы: в растворе, в диссоциированном виде, они все равно неотличимы. Например, аспартат - это на самом деле соль аспарагиновой кислоты, а глутамат - соль глутаминовой кислоты, но реально "глутаминовая кислота" и "глутамат" - это одно и то же; последнее название предпочитают просто для краткости. Дело в том, что соль - это по сути не что иное, как кислота, у которой на месте протона любой другой катион. Если такая молекула ионизирована и не имеет никаких катионов вообще, то за ней обычно оставляют название соответствующей соли. Именно это мы на примере аспартата с глутаматом и видим.
Аспарагиновая и глутаминовая кислоты в неионизированном виде. Сейчас это именно кислоты, но их все равно могут обозвать аспартатом и глутаматом для удобства.
Глутамат интересен не только тем, что входит в состав белков, но и тем, что является очень важным и широко распространенным нейротрансмиттером, то есть веществом, передающим сигналы в нервной системе. К тому же к глутамату чувствительны наши вкусовые рецепторы, и его часто добавляют в пищу, причем как в виде кислоты (пищевая добавка E620), так и в виде натриевой соли (пищевая добавка Е621).
Пример положительно заряженной аминокислоты - лизин (в ионизированном и стандартном виде). Тут, как видим, в радикале присутствует аминогруппа, которая ведет себя, как аминогруппе и положено - приобретает протон.
Аргинин - положительно заряженная аминокислота, в радикал которой входит довольно экзотичная гуанидиновая группа (больше она нам нигде не встретится). Положительный заряд в радикале аргинина делокализован между двумя атомами азота, поэтому электростатическое действие у него эффективнее, чем у такого же заряда в лизине; грубо говоря, он надежнее притягивает к себе "минус". Также обратим внимание, что на правой картинке углеродные атомы по порядку подписаны греческими буквами; в данном случае гуанидиновая группа соединена с эпсилон-атомом.
Подводя итог, мы можем разделить известные нам аминокислоты на четыре группы по типам радикалов:
● Нейтральные гидрофобные (аланин, валин, лейцин, изолейцин, фенилаланин).
● Нейтральные гидрофильные (серин, цистеин, тирозин).
● Отрицательно заряженные (аспартат, глутамат).
● Положительно заряженные (лизин, аргинин).
Особое положение занимает самая простая из всех возможных аминокислот - глицин, у которого вместо радикала атом водорода.
Очевидно, что свойства радикалов сильно влияют на поведение пептидной цепочки в растворе. Об этом - дальше.