Білки

Тривимірна структура білка міоглобіну

Білки́ — біоорганічні високомолекулярні сполуки, молекули яких побудовані із залишків амінокислот, об’єднаних кислото-амідними (пептидними) зв’язками (–CO–NH–).

Зміст

1 Характеристика
- 1.1 Особливості
- 1.2 Будова
2 Фізико-хімічні властивості білків
3 Молекулярна маса білків
4 Механізми функцій білків
- 4.1 Застосування у промисловості
5 Значення у харчуванні
6 Додатково
7 Література
8 Автор ВУЕ

Характеристика

Особливості

Білки є найпоширенішими з усіх класів біомолекул. Вони наявні у всіх клітинних компонентах мікроорганізмів, рослин, тварин (ядра клітинного, біомембран, цитоплазми) та міжклітинних структур. Білки живих клітин ускладнюються пропорційно ступеню складності геному та залежно від етапу еволюційного розвитку організму. Кожний білок має свою унікальну структуру. Кількість різних білків у прокаріотичній (див. Прокаріоти) клітині E.Coli — близько 3 тис., в організмі людини — приблизно 5 млн. Інформація, що міститься в білках, величезна; вона записана у формі довгих послідовностей амінокислотних залишків і надходить з генетичного апарата клітини під час біосинтезу білків.

Білки є основою життєдіяльності організмів. Їм належить провідна роль у молекулярних механізмах усіх проявів життєдіяльності. З білками нерозривно пов’язані процеси обміну речовин і перетворень енергії. Обмін речовин здійснюють білки-ферменти, які специфічно каталізують хімічні перетворення, властиві живому. Використовуючи енергію певних реакцій розпаду, ферменти (звичайно в комплексі з іншими специфічними білками) ефективно виконують різну роботу: механічну (наприклад, під час скорочування м’язів), осмотичну (під час перенесення речовин проти градієнта концентрації), хімічну (під час синтезу низки речовин, зокрема нуклеїнових кислот і самих білків).

Будова

Структурними елементами білків є амінокислоти (протеїногенні амінокислоти). Порівняно прості молекули амінокислот містять кислотні групи —СООН, основні групи — NН₂ та бічні ланцюги — R.

Амінокислоти з бічними групами R₁, R₂, R₃

Характерною хімічною особливістю амінокислот є здатність їх α-амінної та α-карбоксильної груп утворювати кислото-амідний (пептидний) зв’язок (—СО-NН—) за рахунок відщеплення молекули води, тобто вступати в реакцію поліконденсації:

Утворена сполука називається пептидом. У результаті сполучення двох амінокислот утворюється дипептид, трьох — трипептид, а багатьох — поліпептид. Пептидний зв’язок — міцний, він піддається гідролізу тільки за тривалого кип’ятіння в кислому або лужному середовищі.

Чотири атоми, що входять до складу пептидної групи (–СО–NH–), розміщені в одній геометричній площині, тобто є компланарними. Оксиген карбонільної групи та Гідроген NH-групи розташовані в транс-положенні. Довжина зв’язку між атомами Карбону карбонільної групи та Нітрогену амідної групи дорівнює 0,132 нм.

Для білків характерні амінокислотні (поліпептидні) ланцюги, де кожен ланцюг складається з десятків, а то й сотень ланок.

Амінокислоти, сполучені в поліпептидний ланцюг

Залежно від того, до якого атома Карбону приєднана аміногрупа, амінокислоти поділяються на α-, β-, γ-сполуки і т. д. Вважають α-атомом той атом Карбону, до якого приєднано одночасно аміногрупу та карбоксильну групу; така амінокислота називається α-амінокислотою. Якщо аміногрупа приєднана до наступного — β-атома Карбону, це буде β-амінокислота. У такий спосіб іменують і решту амінокислот. Усі протеїногенні амінокислоти є α-амінокислотами. Частину молекули, яка залишилася, називають бічним ланцюгом, або R-групою. Вони відрізняються розміром, формою, гідрофільністю, електричним зарядом, схильністю формувати водневі зв’язки та загальною реакційною здатністю і надають кожній амінокислоті унікальних властивостей. Амінокислоти різняться за характером бічних ланцюгів (R). Одні з них гідрофільні, інші — навпаки, гідрофобні. Першим властива тенденція занурюватися в розчинник, другим — відокремлюватися від розчинника, контактуючи між собою. Є гідрофільні ланцюги R, що несуть позитивні або негативні електричні заряди. У найкоротшої амінокислоти — гліцину — бічного ланцюга немає, біля α-атома Карбону, крім карбоксильної групи й аміногрупи, розташовані два атоми Гідрогену.

Молекула білка містить один або кілька з’єднаних між собою поліпептидних ланцюгів. У біосинтезі їх використовуються амінокислоти 20 певних видів. Довжина поліпептидного ланцюга в різних білках неоднакова. Різниться також склад амінокислот та їхня послідовність у ланцюгу. Відображуючи відмінності довжини поліпептидних ланцюгів, молекулярна маса білків коливається приблизно від десяти тисяч до багатьох сотень тисяч дальтонів. Вміст окремих хімічних елементів у білках також несталий через відмінності амінокислотного складу (Карбону 50–55%, Оксигену 6,5–7,3%, Нітрогену 15,0–17,6%, Сульфуру 0,3–2,5%). Якщо молекули різних білків неоднакові, то молекули цього виду білку ідентичні, вони не різняться ні за довжиною ланцюгів, ні за складом, ні за послідовністю амінокислот.

Фізико-хімічні властивості білків

Фізико-хімічні властивості білків різноманітні. Якщо склад і просторова організація білка забезпечують зосередження на поверхні молекули великої кількості гідрофільних хімічних груп, то білок буде водорозчинним. Якщо ж переважають гідрофобні групи, розчинність втрачається. Загальний електричний заряд білкової молекули залежить від кількості наявних у ній груп з позитивним і негативним зарядами. Знак і величина загального заряду білка залежать і від реакції середовища (рН). Існують білки здебільшого електропозитивні (лужні) та електронегативні (кислі). За хімічним складом білки поділяють на прості та складні. Прості білки, або протеїни (кератини, колаген), побудовані лише з амінокислотних залишків, а складні — протеїди (муцини, гемоглобін) містять ще й небілкові компоненти (атоми металів, молекули ліпідів, вуглеводів, нуклеїнових кислот тощо). Залежно від небілкового компонента складні білки поділяють на: металопротеїни — до їхнього складу входять йони металів, хромопротеїни — містять пігменти, ліпопротеїни — утворюють міцні комплекси з ліпідами, нуклеопротеїни — утворюють комплекси з нуклеїновими кислотами, глікопротеїни — ковалентно зв’язані з вуглеводами, фосфопротеїни — ковалентно зв’язані з залишками ортофосфатної кислоти.

Рівні структурної організації білкових молекул

Усі білки та пептиди мають унікальну тримірну просторову організацію (конформацію), що є структурною основою їхньої специфічної біологічної функції. Виокремлюють чотири рівні структури білків: первинну, вторинну, третинну й четвертинну.

Первинна структура — послідовність амінокислотних залишків у пептидному ланцюжку. Будова поліпептидного ланцюга є основною характеристикою кожного індивідуального білка. Вона точно визначається відповідним геном, у якому всю послідовність амінокислот у поліпептидному ланцюгу записано за допомогою нуклеотидного триплетного коду (див. Генетичний код). Саме первинна структура найбільшою мірою визначає властивості сформованого білка. Будову поліпептидних ланцюгів багатьох білків повністю розшифровано.

Деякі ланцюги R, а також групи —СО й —NН пептидних зв’язків створюють між собою так звані водневі містки. Тісний контакт гідрофобних ланцюгів усередині молекули білка, взаємне притягування протилежних зарядів і утворення водневих містків, як правило, утворюють у молекулі білка компактну структуру. Хоч кожна з цих взаємодій окремо є слабкою, сукупність їх у молекулі достатня для того, щоб забезпечити стійку просторову організацію системи й створити певну, часто дуже складну, конфігурацію. Вторинну, третинну та четвертину структури називають вищими рівнями структурної організації білкових молекул. У просторовій організації білків розрізняють кілька структур.

Вторинна структура — спіралізовані та витягнуті ділянки ланцюга, фіксовані водневими містками між —СО й —NН-групами пептидного ланцюга.

Найпоширеніші типи вторинної структури білків включають: α-спіралі з 4 залишками на виток, стабілізовані водневими зв’язками між пептидними групами з кроком у 4 ланки; β-аркуші, що складаються з кількох зигзагоподібних поліпептидних витків, у яких водневі зв’язки утворюються між відносно віддаленими ділянками ланцюжка або між різними ланцюжками, а не між близько розташованими пептидними групами, як у α-спіралі; π-спіралі з кроком водневих зв’язків у 3 ланки.

Третинна структура — внутрішньо молекулярна упаковка, що виникає внаслідок різних взаємодій амінокислотних залишків. Третинна структура загалом стабілізується нелокальною взаємодією, найчастіше формуванням гідрофобного ядра, а також завдяки утворенню водневих зв’язків, сольових містків, інших типів йонної взаємодії, дисульфідних зв’язків між залишками цистеїну.

Дисульфідний зв’язок —зв’язок, який утворюється внаслідок відщеплення атомів Гідрогену від сульфідних груп двох амінокислотних залишків цистеїну:

SH + HS- → - S-S- + 2H.

Дисульфідні зв’язки мають вагоме значення у формуванні третинної структури білків. Вони є нестійкими до дії водню.

Четвертинна (просторова) структура — мультимер, сформований у результаті взаємодії (агрегації) кількох білкових молекул, які називають субодиницями. Повна структура кількох об’єднаних субодиниць, що разом виконують спільну функцію, називається білковим комплексом. Білок еритроцитів гемоглобін є типовим представником білків, що мають четвертинну структуру.

Доведено, що просторова організація білків має вирішальне значення для їхніх біологічних функцій, що ця організація створюється системою внутрішньомолекулярних взаємодій, яка, своєю чергою, визначається первинною структурою. Вирішальне значення первинної структури білка для його просторової організації та біологічної функції підтверджено хімічним синтезом двох білків — гормону інсуліну та ферменту рибонуклеази. Це було здійснено шляхом штучного одержання відповідних поліпептидних ланцюгів з амінокислот.

Структурна організація білків

Більшість білків набуває правильної структури лише в певних умовах середовища. Зі зміною цих умов білок змінює свою структуру, або денатурує. Зміну конформації білків спричинюють нагрівання, опромінення (див. Опромінення організму), дія сильних кислот, сильних основ, концентрованих солей, важких металів, органічних розчинників тощо. За умови збереження первинної структури відбувається ренатурація — відновлення втраченої природної структури білків. Процес руйнування первинної структури завжди є необоротним: це вже деструкція.

Форма молекул білків

За формою молекул білки поділяються на глобулярні (кулясті, або еліпсоїдна форма) — кулеподібні та фібрилярні (нитчасті) — з витягнутою формою молекули.

Глобулярні білки побудовані з одного або кількох зв’язаних дисульфідними містками поліпептидних ланцюгів, що згорнуті в щільні кулеподібні форми. Модель просторової структурної організації молекули міоглобіну уперше запропонував Дж. К. Кендрю в 1958 на підставі рентгено-структурного аналізу білкових кристалів. До глобулярних відносять більшість білків рослинних і тваринних організмів. Це альбуміни сироватки крові, міоглобін м’язів, гемоглобін, більшість ферментних білків.

Фібрилярні білки є структурними компонентами сполучної або інших опорних тканин організму. Вони схильні до утворення мультимолекулярних ниткоподібних комплексів — фібрил. До фібрилярних відносять білки волосся, шерсті, тканини м’язової. Прості фібрилярні білки (колаген та еластин) входять до складу тканини сполучної, хрящів, сухожиль, шкіри.

Функції

Білки є насамперед незамінним пластичним матеріалом, потрібним для будівництва клітин і тканин. Вони відіграють значну роль у процесах росту, розмноження, передавання спадкових властивостей; входять до складу ферментів і гормонів. Білки, як і жири та вуглеводи, є важливим джерелом енергії, їм належить виняткова та різнобічна роль у живому організмі. Якщо спробувати вичленити головну, вирішальну властивість, яка забезпечує багатогранність біологічних функцій білків, слід було б назвати здатність білків вибірково, специфічно з’єднуватися з широким колом різноманітних речовин. Зокрема, ця висока специфічність білків забезпечує взаємодію ферментів з субстратами, антитіл з антигенами, транспортних білків крові з транспортними молекулами інших речовин тощо. Стосовно ферментів ця взаємодія ґрунтується на принципі біоспецифічного впізнавання, яке завершується поєднанням ферменту з відповідною молекулою, що сприяє перебігу хімічної реакції. Білки виконують низку біологічних функцій.

Ферментативна (каталітична) функція. Усі ферменти (біокаталізатори) за своєю хімічною природою є білками або комплексами білків і з низькомолекулярними небілковими сполуками (коферментами, кофакторами).

Структурна функція. Білки входять до структури біомембран, становлять основу цитоскелета (мікротрабекулярна сітка, мікрофіламенти), міжклітинного матриксу (колаген, еластин) та певних спеціалізованих тканин (кератини).

Регуляторна функція. Білкову та пептидну природу мають численні біорегулятори — гормони, медіатори та модулятори, що виробляються в ендокринній системі, нейронах головного мозку, імунній системі: прості білки (інсулін, глюкагон тощо), глікопротеїни (тропні гормони гіпофіза тощо), низькомолекулярні пептиди (окситоцин, вазопресин, опіоїдні пептиди мозку, пептиди тимоцитів тощо).

Рецепторна функція. Білкову природу мають мембранні рецептори для фізіологічно активних сполук, що приймають хімічний сигнал від гормонів, нейромедіаторів (адренорецептори, холінорецептори, гістамінові рецептори тощо).

Транспортна функція. Білки зв’язують та здійснюють міжклітинний та внутрішньоклітинний (трансмембранний, цитоплазматичний) транспорт різних лігандів — біомолекул, йонів металів, чужорідних хімічних сполук (ксенобіотиків). Транспортними білками крові людини є сироваткові альбуміни (переносять жирні кислоти, білірубін, лікарські та токсичні сполуки), гемоглобін еритроцитів (транспортує кисень), ліпопротеїни (транспортують ліпіди), трансферин (транспортує залізо).

Скорочувальна функція. Білки є молекулярними структурами, що реалізують скорочувальну функцію м’язів (актин, міозин), джгутиків та війок (тубуліни, динеїни) тощо

Захисна функція. Білки виконують функцію імунного захисту (імуноглобуліни, лімфокіни, інтерлейкіни тощо), протидіють кровотечі та тромбоутворенню (згортальної, антикоагулянтної та фібринолітичної систем крові).

Молекулярна маса білків

Білки є високомолекулярними сполуками. Їх молекулярна маса коливається в межах від кількох тисяч до кількох мільйонів атомних одиниць маси (дальтонів). Індивідуальні білки побудовані з кількох сотень амінокислотних залишків. Білки можуть складатися з одного або кількох окремих поліпептидних ланцюгів, що об’єднані ковалентними (дисульфідними) та нековалентними зв’язками. Білки, в яких є один поліпептидний ланцюг, мають молекулярну масу від ~ 5-6 до ~ 50 кД; білки з більшою молекулярною масою складаються, як правило, з кількох поліпептидних ланцюгів, що становлять протомери (субодиниці) — мультиланцюгові (олігомерні) білки.

Пептиди (олігопептиди, поліпептиди) відрізняються від власне білків молекулярною масою (меншою 5–6 кД) та відповідними фізико-хімічними властивостями.

Механізми функцій білків

У стійких упорядкованих молекулах білків існує певне просторове розміщення хімічних груп. Це, звичайно, стосується і поверхнево розташованих груп, з якими можуть контактувати речовини навколишнього середовища. Виявлено, що окремі ділянки поверхні білкової молекули, де розміщено групи, здатні утворювати слабкі зв’язки різного типу, набувають характеру функціональних одиниць — активних центрів. Центри безпомилково впізнають молекули, хімічні групи яких за своєю природою та геометричним розміщенням відповідають їхнім власним групам і здатні взаємодіяти з ними. Ці взаємодії приводять до комплексоутворення. Кожний із зв’язків, що їх утворює центр, сам по собі надто слабкий, щоб створити комплекс, але сукупність зв’язків має достатню міцність. Таким чином, активний центр подібний до шифру з ряду знаків. Тому він діє вибірково. Комплексоутворення, здійснене за допомогою активного центра білка, може істотно вплинути на стан приєднаної речовини. Остання (у разі білків-ферментів) активується і зазнає певного хімічного перетворення. Функціональні можливості активних центрів збільшуються ще й завдяки тому, що хімічна реактивність однієї з груп центра може різко підвищитися під впливом комбінованого діяння з боку інших амінокислотних залишків молекули. Активні центри, що їх раніше вивчали непрямими шляхами, тепер виявляють безпосередньо під час з’ясування тривимірної структури білка за допомогою методів рентгеноструктурного аналізу. Виконання специфічних дій за допомогою активних центрів є загальним принципом біологічних функцій білків.

Застосування у промисловості

Білки широко використовують у різних сферах життєдіяльності людства. Вони є найважливішими поживними речовинами для людини й тварин, їх застосовують у низці галузей виробництва як сировину. Білки-ферменти широко використовуються як високоефективні каталізатори в різних галузях промисловості.

У харчовій промисловості застосовуються ферменти: у пекарській промисловості використовуються альфа-амілаза і протеази, у пивоварінні — численні ферменти ячменю (амілаза, глюканази, протеази); целюлази і пектинази — для освітлення соків, хімозин, ліпаза і лактаза — для виготовлення кисломолочних продуктів, а папаїн — для пом’якшення м’ясних продуктів. Для виготовлення крохмалю використовують амілазу і глюкоамілазу, а для виготовлення паперу — целюлази і ксиланазу. Протео- і ліполітичні ферменти часто додають до мийних засобів.

Ще на початку 20 сторіччя протеїни вважали цікавою сировиною для виготовлення пластмас. Процес формальдегідного зшивання молочного казеїну було винайдено в 1897 для виготовлення формованих предметів, таких як ґудзики. Тоді формальдегід широко використовували в сумішах з білками соєвих бобів і тваринною кров’ю для виготовлення автомобільних деталей, найчастіше кришок розподільника. У 1920-х отримано перші патенти на використання зеїну для виготовлення різних матеріалів (покриття, смоли, текстильні волокна). Крім того, желатин використовували у виробництві плівки для харчових продуктів, капсул з ліками і для фотографії. Пізніше застосування білкових матеріалів поширилося на виробництво плівок, покриттів (гідроізоляція паперових і картонних пакетів для харчової упаковки), клеїв (для обклеювання шпалер, наклеювання етикеток на пляшки, для просочування деревного шпону), формованих виробів (дверні ручки, пряжки ременів, приводні ремені в двигунах автомобілів та ін.). У 1960-х синтетичні пластмаси потіснили протеїнові матеріали. Поступова відмова від білкових матеріалів (окрім желатину) тривала наступні 30 років. Проте починаючи з 1990-х кількість академічних дослідницьких програм і проектів промислового дослідження та розробок полімерних матеріалів на основі протеїнів збільшилася експоненціально.

Фібрилярні білки використовують для виготовлення волокон, необхідних у текстильній промисловості. Білки застосовують у низці технологічних процесів в хімічній промисловості, для створення біосенсорів тощо.

Значення у харчуванні

Білки — це поживні речовини, необхідні для організму людини. Білки надходять в організм разом з їжею й служать основним джерелом амінокислот. Обов’язкове використання білків у їжі зумовлене потребою в незамінних амінокислотах, які не можуть синтезуватися людиною з інших речовин. Амінокислоти, що входять до складу білків, є джерелом для побудови клітинних та тканинних білків власних біоструктур. Енергетичне значення білків в умовах нормального харчування невелике. Для визначення потреби організму людини в білках користуються поняттям азотистої рівноваги, яка визначається як стан, за якого кількість азоту, що надходить в організм (в основному, у складі білкових компонентів продуктів харчування) дорівнює кількості азоту, що виділяється з організму (насамперед у вигляді сечовини та солей амонію). В умовах фізіологічного спокою та відсутності фізичного навантаження азотиста рівновага встановлюється за умов надходження до організму близько 23 г білків. Але враховуючи різну біологічну цінність білків змішаного раціону харчування в реальних умовах існування, істинні потреби людини в білках значно вищі. Реальна добова потреба в білках залежить від віку, статі людини та біологічної цінності білків.

Додатково

Нобелівську премію з хімії 1946 отримали Дж. Самнер, В. Стенлі, Дж. Нортроп за виділення ферменту уреази та доведення його білкової природи.

Нобелівську премію 2024 з хімії присудили Д. Бейкеру за комп’ютерний дизайн білків та Д. Гассабісу і Дж. Джамперу за передбачення структури білків.

Література

Urry D., McPherson D., Xu J. et al. Elastic and Plastic Protein-Based Polymers: Potential for Industrial Uses // Plastics from Microbes / Ed. by D. P. Mobley. New York : Hanser Publishers, 1994. P. 259–281.
Branden C.-I., Tooze J. Introduction to Protein Structure. 2nd ed. New York : Garland Publishing, 1999. 410 p.
Brodsky B., Werkmeister J., Ramshaw J. Collagens and Gelatine // Biopolymers : in 10 vol. Weinheim : Wiley-VCH, 2003. Vol. 8. Р. 119–153.
Scheibel T. Protein Fibers as Performance Proteins: New Technologies and Applications // Current Opinion in Biotechnology. 2005. Vol. 16. Is. 4. P. 427–433.
Sander E., Barocas V. Biomimetic Collagen Tissues: Collagenous Tissue Engineering and Other Applications // Collagen: Structure and Mechanics / Ed. by P. Fratzl. New York : Springer, 2008. P. 476–505.
Raza F., Zafar H., Zhu Y. et al. A Review on Recent Advances in Stabilizing Peptides/Proteins Upon Fabrication in Hydrogels from Biodegradable Polymers // Pharmaceutics. 2018. Vol. 10. Is. 1. P. 16–37.
Bastioli C. Handbook of Biodegradable Polymers. 3rd ed. Berlin : De Gruyter, 2020. 548 р.