Белки, раздел «Химик»
Белки, или протеины,— высокомолекулярные природные соединения, построенные из аминокислот; главная составная часть всех живых организмов. Второе их название — «протеины» происходит от греческого слова «протос» — «первый, важнейший» и подчеркивает их исключительную роль в процессах жизнедеятельности.
Белки служат основой всех живых организмов. Белками являются все ферменты, ускоряющие в организмах разнообразные реакции обмена веществ. К белкам относятся и многие гормоны, регулирующие работу различных органов. Белковую природу имеют антитела, защищающие организм от инфекций. Но к белкам принадлежат и токсины — вещества, угнетающие физиологические функции организма.
Элементный состав белков хорошо известен. Он включает атомы углерода, водорода, кислорода, азота и серы, а иногда и фосфора.
Характерная особенность этих соединений — очень большая молекулярная масса: от десятков тысяч до 1 млн. и выше. Белки построены из а-аминокислот. Общее число аминокислот, образующих макромолекулу одного белка, может составлять величину от нескольких десятков до многих тысяч.
В молекулах белков аминокислоты соединяются между собой пептидными связями (— СО — NH —) (см. Пептиды). В результате образуются длинные полипептидные цепи общей формулы:
где R', R, R' — боковые заместители отдельных аминокислотных остатков, выделенных в формуле вертикальными пунктирными линиями.
При обработке белков кислотами, щелочами (см. Основания) или некоторыми ферментами пептидные связи расщепляются в результате гидролиза (разложения вещества водой), и белки распадаются до аминокислот или коротких пептидов. Белки способны вступать во многие химические реакции (окисления, восстановления, этерификации и др.). Подобно аминокислотам, они обладают амфотерными свойствами и могут образовывать соли как с кислотами, так и с основаниями (см. Амфотерность).
Белки — необходимая составная часть питания человека. Отсутствие или недостаток их в пище вызывает серьезные заболевания. Пищевая ценность белков определяется их аминокислотным составом и содержанием так называемых незаменимых аминокислот.
Для каждого белка аминокислотный состав и последовательность расположения аминокислотных остатков в полипептидной цепи строго индивидуальны и постоянны. Изменения этих характеристик обусловливают возможность существования в природе огромного множества белков с разнообразными свойствами. Необходимо также учитывать пространственную форму полипептидной цепи каждого белка. Поэтому при описании строения этих соединений принято различать четыре уровня их структуры. Первичная структура — последовательность чередования аминокислотных остатков в полипептидной цепи данного белка. Под вторичной структурой белка подразумевается пространственная конфигурация его полипептидной цепи на отдельных ее участках. Третичной структурой называется реальная форма белковой макромолекулы в трехмерном пространстве. Понятие четвертичной структуры используется для описания строения белков, состоящих из нескольких субъединиц, соединенных между собой нековалент-ными связями (см. Химическая связь). Так, например, полипептидная цепь (первичная структура) одного из белков крови — гемоглобина — закручена в спираль; спираль (вторичная структура) свернута в клубок (третичная структура), и, наконец, четыре таких клубка объединены в одну крупную частицу (четвертичная структура), обладающую биологической активностью.
Для изучения первичной структуры белков применяют химические и ферментативные реакции. При изучении вторичной используют различные физические методы. В исследовании третичной структуры особенно эффективным оказался метод рентгено-структурного анализа.
Для изучения четвертичной структуры сложных белков применяют специальные методы.
Процесс образования белков из аминокислот, запрограммированный в клетках живого организма, называется биосинтезом. Выяснение механизма этого процесса, имеющего огромное биологическое значение, относится к важнейшим достижениям науки XX в. В биосинтезе принимают участие нуклеиновые кислоты.
В 1955 г. была установлена полная структура гормона поджелудочной железы — полипептида инсулина, участвующего в обмене углеводов в организме. Затем были расшифрованы структуры гемоглобина, фермента рибонуклеазы, пищеварительного фермента трипсина и ряда других белков. Лишь после этого ученым удалось синтезировать — искусственно создать путем химического синтеза — некоторые пепгидные гормоны, инсулин, рибонуклеазу и другие, еще более сложные белки.
Ведущая роль белков в процессах жизнедеятельности вызывает необходимость их дальнейшего изучения, разработки новых методов синтеза этих высокомолекулярных соединений. Без исследования структуры, свойств и механизмов действия белковых веществ невозможно познать закономерности существования живых организмов и сознательно их регулировать.
