Структура білків і пептидів

Білки — це високомолекулярні біоорганічні сполуки, молеку-ли яких побудовані із залишків амінокислот, кількісно переви-щують усі інші органічні речовини, що є в складі живих організ-мів, і становлять понад половину їх сухої маси. Це сполуки, за допомогою яких генетична інформація дістає своє реальне вті-лення в побудові організму та всіх його властивостях. Якщо нуклеїнові кислоти є носіями генетичної інформації, то білки — носії фенотипової інформації, загальним втіленням якої є орга-нізм:

ДНК > РНК > Білок > Клітина > Організм.

Як відомо, ДНК хроматину клітинного ядра містить кілька ти-сяч генів, кожний з яких визначає певну ознаку організму. Ця ознака забезпечується структурною і функціональною систе-мами, що реалізуються в процесі синтезу різноманітних білків, які і визначають біохімічну індивідуальність організму. Певну структуру тканин визначають структурні білки — колаген, елас-тин, кератин; здатність до механічної роботи — скоротливі біл-ки актин, міозин; каталіз багатьох хімічних реакцій забезпечу-ють ферменти; транспорт кров'ю О2, СО2 та поживних речо-вин — транспортні білки: гемоглобін, альбуміни та ін.; регуля-цію обміну речовин і функцій організму — регуляторні білки: гормони типу інсуліну, глюкагону тощо; захист від кровотечі — білки системи зсідання, від інфекційних та вірусних хвороб — імуноглобуліни.

Білки всіх організмів побудовані з одного й того самого набо-ру 20 амінокислот. Разом з тим, у складі різних видів організмів налічується десятки тисяч різних білків, кожний з яких має певну структурну й функціональну організацію та біологічні власти-вості. Амінокислоти — це абетка білкової молекули, і як з пев-ної кількості літер можна створити безліч слів, так і з амінокис-лот у природі побудована велика кількість різноманітних білків. Кожна білкова молекула має певну будову, яка визначається послідовністю розташування амінокислот у поліпептидних ланцюгах, характерним розміщенням цих ланцюгів у просторі, здат-ністю створювати молекулярні структури у вигляді глобул або фібрил.

Вперше успішне вивчення будови білкових речовин було здійснено видатним вітчизняним ученим О. Я. Данилевським на-прикінці XIX ст. Він звернув увагу на те, що речовини білків та продуктів їх часткового гідролізу дають позитивну біуретову реакцію — синьо-фіолетове забарвлення при змішуванні з луж-ним розчином сульфату міді. Таку саму реакцію давали ро-зчини біурету (NH2 — CO — NH — CO — NH2). Нa основі цих спостережень О. Я. Данилевський дійшов висновку, що й у мо-лекулах білків амінокислоти сполучені між собою кето-імідними групами — CO — NH, які є в біуреті і які він назвав пептид-ними.

Рівні структурної організації білкових молекул. Вивчення структури білків — це шлях до розуміння механізму їх важливих біологічних функцій в організмі. Зокрема, знання струк-тури ферментів і особливо їх активних центрів дає змогу роз-крити механізми здійснення ферментативного каталізу. Вивчен-ня структури скоротливих білків — актину і міозину, які входять до складу м'язів, сприяє вивченню механізмів їх скорочення. Вивчення структури гормонів білкової природи — інсуліну, глю-кагону та інших — необхідне не тільки для вивчення механізмів регуляції обміну речовин, а й для опанування засобів синтезу цих гормонів з метою отримання лікарських гормональних пре-паратів. Просторова структура білкової молекули, властива будь-яким нативним білкам, має назву конформації білка. Будо-ва білків надзвичайно складна, що пояснюється великою кіль-кістю амінокислот у білкових молекулах, значною їх молекуляр-ною масою (від 5000 до кількох мільйонів і вище), утворенням різноманітних хімічних та фізико-хімічних зв'язків між різними атомними групами.

Для зручності вивчення будови молекул білка, їх розташу-вання в просторі визначають різні рівні структури білкової мо-лекули: первинну, вторинну, третинну і четвертинну.

Первинна структура — це певна послідовність амінокислот у молекулах білків та пептидів, сполучених між собою кова-лентними пептидними зв'язками. Первинна структура стабілі-зується також дисульфідними зв'язками, якщо вони є в білковій молекулі.

Вивчення первинної структури білка складається з кількох етапів. Спочатку визначають амінокислотний склад білка. Для цього здійснюють повний гідроліз білка в запаяних під ваку-умом ампулах під дією 6 М розчину НСІ (кислотний гідроліз) або 2—4 М розчину NaOH (лужний гідроліз) при 110 °С про-тягом 24 год. Добуту суміш амінокислот аналізують за допо-могою іонообмінної хроматографії. Для визначення послідов-ності амінокислот у поліпептидному ланцюгу білок обробля-ють протеолітичними ферментами (трипсином, хімотрипсином, амінопептидазою, карбоксипептидазою тощо), які гідролізують пептидні зв'язки між певними амінокислотами. Потім су-міш пептидів — продуктів часткового гідролізу — аналізують і визначають амінокислотний склад кожного пептиду, а також послідовність і взаєморозташування пептидів у молекулі біл-ка. При цьому враховують специфічність дії протеолітичних ферментів на поліпептидний ланцюг, беручи до уваги, що трип-син гідролізує пептидні зв'язки, утворені лізином і аргініном, хімотрипсин діє на пептидні зв'язки, утворені ароматични-ми амінокислотами фенілаланіном, тирозином, триптофаном тощо.

Для вивчення послідовності амінокислотних залишків у моле-кулах білків Ф. Сенгер розробив стандартний метод визначен-ня N-кінцевих амінокислот. Принципова основа цього методу полягає в тому, що до аміногрупи приєднують хімічну "мітку", яка не відщеплюється під час гідролізу білка. Якщо з гідролізату виділити таку мічену амінокислоту, можна визначити, який амі-нокислотний залишок розташований на N-кінці поліпептидного ланцюга білка.

Для "мітки" амінокислотних залишків Ф. Сенгер вико-ристовував динітрофторбензол (ДНФ). При обробці цим реактивом білка утворюється динітрофеніл-білок (ДНФ-білок):

У подальшому ДНФ-білок гідролізується з утворенням за-лишку молекули білка і ДНФ-амінокислоти:

ДНФ-амінокислоту виділяють із суміші продуктів гідролізу та ідентифікують за допомогою хроматографії. Залишок молеку-ли білка реагує з новими порціями ДНФ, усі наведені вище реакції повторюються і завершуються ідентифікацією другої амінокислоти. Реакції продовжуються доти, доки вся моле-кула білка не розпадеться на окремі ДНФ-похідні амінокис-лот.

Внаслідок тривалої роботи