Белки и аминокислоты

АЗБУКА ЖИВОЙ МАТЕРИИ. БЕЛКИ

Более 4 млрд лет назад на
Земле из маленьких неорганических молекул непостижимым образом возникли белки,
ставшие строительными бло­ками живых организмов. Своим бес­конечным
разнообразием всё живое обязано именно уникальным молеку­лам белка, и иные
формы жизни во Вселенной науке пока неизвестны.

Белки, или протеины
(от греч. «протос» — «первый»), — это природ­ные органические
соединения, кото­рые обеспечивают все жизненные процессы любого организма. Из
бел­ков построены хрусталик глаза и па­утина, панцирь черепахи и ядовитые
вещества грибов... С помощью белков мы перевариваем пищу и боремся с болезнями.
Благодаря особым белкам по ночам светятся светлячки, а в глу­бинах океана
мерцают таинствен­ным светом медузы.

Белковых молекул в живой
клетке во много раз больше, чем всех других (кроме воды, разумеется!). Учёные
вы­яснили, что у большинства организ­мов белки составляют более полови­ны их
сухой массы. И разнообразие видов белков очень велико — в одной клетке такого
маленького организма, как бактерия Escherichia сой'
(см. до­полнительный очерк «Объект иссле­дования — прокариоты»), насчиты­вается
около 3 тыс. различных белков.

Впервые белок был выделен (в
ви­де клейковины) в 1728 г. итальянцем Якопо Бартоломео Беккари (1682— 1766) из
пшеничной муки. Это собы­тие принято считать рождением хи­мии белка. С тех пор
почти за три столетия из природных источников получены тысячи различных белков
и исследованы их свойства.

БИОЛОГИЧЕСКИЕ
«БУСЫ»

Молекула белка очень длинная. Хими­ки называют такие
молекулы поли­мерными (от греч. «поли» — «много» и «мерос» —
«часть», «доля»). Действи­тельно, длинная молекула полимера состоит из
множества маленьких мо­лекул, связанных друг с другом. Так нанизываются на нить
бусинки в ожерелье. В полимерах роль нити иг­рают химические связи между бусин­ками-молекулами.

Секрет белков спрятан в
особен­ностях этих самых бусинок. Боль­шинство полимеров не принимает
устойчивой формы в пространстве, уподобляясь тем же бусам, у которых и не может
быть пространственной структуры: повесишь их на шею — они примут форму кольца
или овала, положишь в коробку — свернутся в клубок неопределённой формы. А те­перь
представим себе, что некоторые бусинки могут «слипаться» друг с другом.
Например, красные притяги­ваются к жёлтым. Тогда вся цепочка примет
определённую форму, обязан­ную своим существованием «слипа-нию» жёлтых и
красных бусинок

Нечто подобное происходит и в
белках. Отдельные маленькие моле­кулы, входящие в состав белка, обла­дают
способностью «слипаться», так как между ними действуют силы при­тяжения. В
результате у любой белко­вой цепи есть характерная только для неё
пространственная структура. Именно она определяет чудесные свойства белков. Без
такой структуры они не могли бы выполнять те функ­ции, которые осуществляют в
живой клетке.

При длительном кипячении бел­ков
в присутствии сильных кислот или щелочей белковые цепи распада­ются на
составляющие их молекулы,

называемые аминокислотами.
Амино­кислоты — это и есть те «бусинки», из которых состоит белок, и устроены
они сравнительно просто.

КАК УСТРОЕНА
АМИНОКИСЛОТА

В каждой молекуле
аминокислоты есть атом углерода, связанный с четырьмя заместителями. Один из
них — атом водорода, второй — кар­боксильная группа —СООН. Она лег­ко
«отпускает на волю» ион водоро­да Н+, благодаря чему в
названии аминокислот и присутствует слово «кислота». Третий заместитель — ами­ногруппа —NH2 и, наконец, четвёр­тый заместитель — группа атомов,
ко­торую в общем случае обозначают R. У всех аминокислот R-группы
разные, и каждая из них играет свою, очень важную роль.

Свойства «бусинок»,
отличающие одну аминокислоту от другой, скры­ты в R-группах (их ещё называют бо­ковыми
цепями). Что же касается группы —СООН, то химики-органи­ки относятся к ней с
большим почте­нием: всем другим атомам углерода в молекуле даются обозначения в
зави­симости от степени их удалённости от карбоксильной группы. Ближай­ший к
ней атом именуют а-атомом, второй — в-атомом, следующий — у-атомом
и т. д. Атом углерода в ами­нокислотах, который находится бли­же всех к карбоксильной
группе, т. е. а-атом, связан также с аминогруппой, поэтому природные
аминокислоты, входящие в состав белка, называют а-аминокислотами.

В природе встречаются также
ами­нокислоты, в которых NH^-группа связана с более отдалёнными от кар­боксильной
группы атомами углеро­да. Однако для построения белков природа выбрала именно а-аминокислоты.
Это обусловлено прежде всего тем, что только а-аминокислоты, соединённые
в длинные цепи, способны обеспечить достаточную прочность и устойчивость
структуры больших белковых молекул.

Число а-аминокислот,
различа­ющихся R-группой, велико. Но чаще других в белках встречается всего 20 разных
аминокислот. Их можно рас­сматривать как алфавит «языка» бел­ковой молекулы.
Химики называют эти главные аминокислоты стандарт­ными, основными или
нормальными. Условно основные аминокислоты де­лят на четыре класса.

В первый входят аминокислоты
с неполярными боковыми цепями. Во второй — аминокислоты, со­держащие полярную
группу. Следую­щие два составляют аминокислоты с боковыми цепями, которые могут
заряжаться положительно (они объе­диняются в третий класс) или отрица­тельно
(четвёртый). Например, диссо­циация карбоксильной группы даёт анион — СОО-,
а протонирование ато­ма азота — катион, например —NH3+. Боковые цепи аспарагиновой и глута-миновой кислот
имеют ещё по одной карбоксильной группе —СООН, кото­рая при значениях рН,
характерных для живой клетки (рН = 7), расстаётся с ионом водорода (Н+)
и приобрета­ет отрицательный заряд. Боковые це­пи аминокислот лизина, аргинина
и гистидина заряжены положительно, поскольку у них есть атомы азота, ко­торые,
наоборот, могут ион водорода присоединять.

Каждая а-аминокислота
(кроме глицина) в зависимости от взаимно­го расположения четырёх заместите­лей
может существовать в двух фор­мах. Они отличаются друг от друга, как предмет от
своего зеркального от­ражения или как правая рука от ле­вой. Такие соединения
получили название хоральных (от грен. «хир» — «рука»). Хиральные
молекулы открыл в 1848 г. великий французский учё­ный Луи Пастер. Два типа
оптических изомеров органических молекул по­лучили названия Д-форма (от лат.
dexter — «правый») и Z-форма (от лат. laevus — «левый»). Кстати, одно из названий других хиральных моле­кул — глюкозы
и фруктозы — декст­роза и левулоза. Примечательно, что в состав белков входят
только Z-аминокислоты, и вся белковая жизнь на Земле — «левая».

Для нормальной жизнедеятельно­сти
организм нуждается в полном на­боре из 20 основных a-Z-аминокислот. Но одни из
них могут быть синтезиро­ваны в клетках самого организма, а другие — должны
поступать в готовом виде из пищевых продуктов. В пер­вом случае аминокислоты
называют заменимыми, а во втором — незамени­мыми. Набор последних
для разных организмов различен. Например, для белой крысы незаменимыми являют­ся
10 аминокислот, а для молочнокислых бактерий — 16. Растения могут са­мостоятельно
синтезировать самые разнообразные аминокислоты, созда­вать такие, которые не
встречаются в белках.

Для удобства 20 главных амино­кислот
обозначают символами, ис­пользуя одну или первые три буквы русского или
английского названия аминокислоты, например аланин — Ала или А, глицин — Гли
или G.

ЧТО ТАКОЕ ПЕПТИД

Полимерная молекула белка
образует­ся при соединении в длинную цепоч­ку бусинок-аминокислот. Они нани­зываются
на нить химических связей благодаря имеющимся у всех амино­кислот амино- и
карбоксильной груп­пам, присоединённым к а-атому угле­рода.

Образующиеся в результате
такой реакции соединения называются пеп-тидами; (—СО—NH—группировка в
них — это пептидная группа, а связь между атомами углерода и азота — пептидная
связь (её ещё называют амидной). Соединяя аминокислоты посредством
пептидных связей, мож­но получить пептиды, состоящие из остатков очень многих
аминокислот. Такие соединения получили название полипептиды.
Полипептидное стро­ение белковой молекулы доказал в 1902 г. немецкий химик
Эмиль Гер­ман Фишер.

На концах аминокислотной це­почки
находятся свободные амино-и карбоксильная группы; эти концы цепочки называют N- и
С-концами. Аминокислотные остатки в полипеп-тидной цепочке принято нумеровать с
N-конца.

Общее число аминокислотных ос­татков
в белковой молекуле изменя­ется в очень широких пределах. Так, человеческий
инсулин состоит из 51 аминокислотного остатка, а лизо-цим молока кормящей
матери — из 130. В гемоглобине человека 4 ами­нокислотные цепочки, каждая из
которых построена из примерно 140 аминокислот. Существуют белки, имеющие почти
3 тыс. аминокис­лотных остатков в единой цепи.

Молекулярные массы белков
лежат в диапазоне примерно от 11 тыс. для малых белков, состоящих из 100 ами­нокислотных
остатков, до 1 млн и бо­лее для белков с очень длинными полипептидными цепями
или для белков, состоящих из нескольких по-липептидных цепей.

Возникает вопрос: как же всё
ог­ромное многообразие белков с раз­личными функциями и свойствами может быть
создано всего из 20 мо­лекул? А разгадка этого секрета при­роды проста — каждый
белок имеет свой неповторимый аминокислот­ный состав и уникальный порядок со­единения
аминокислот, называемый первичной структурой белка.

СПИРАЛИ И СЛОИ

В начале 50-х гг. XX в.
американские химики Лайнус Карл Полинг (1901— 1994), награждённый Нобелевской
премией за исследования природы химической связи, и Роберт Кори (1897—1971)
предположили, что не­которые участки аминокислотной це­почки в белках закручены
в спираль. Благодаря совершенствованию экс­периментальных методов (структуру
белков изучают с помощью рентгенов­ских лучей) через несколько лет эта
гениальная догадка подтвердилась.

Действительно, полипептидные
цепи очень часто образуют спираль, закрученную в правую сторону. Это первый,
самый низкий уровень про­странственной организации белко­вых цепочек Здесь-то и
начинают иг­рать роль слабые взаимодействия «бусинок»-аминокислот: группа С=0 и
группа N—H из разных пептидных связей могут образовывать между
со­бой водородную связь. Оказалось, что в открытой Полингом и Кори спирали
такая связь образована меж­ду группой С=0 каждой г-й аминокис­лоты и группой N—H (i + 4)-й амино­кислоты, т. е. между собой связаны
аминокислотные остатки, отстоящие друг от друга на четыре «бусинки». Эти
водородные связи и стабилизиру­ют такую спираль в целом. Она полу­чила название
a.-спирали.

Позднее выснилось, что
а-спираль — не единственный способ ук­ладки аминокислотных цепочек. По­мимо
спиралей они образуют ещё и слои. Благодаря всё тем же водород­ным связям между
группами С=0 и N—H друг с другом могут «слипаться» сразу несколько
разных фрагментов одной полипептидной цепи. В резуль­тате получается целый слой
— его на­звали ^-слоем.

В большинстве белков
а-спирали и р-слои перемежаются всевозможными изгибами и фрагментами цепи без
какой-либо определённой структуры. Когда имеют дело с пространствен­ной
структурой отдельных участков белка, говорят о вторичной структу­ре белковой
молекулы.

БЕЛОК В
ПРОСТРАНСТВЕ

Для того чтобы получить
полный «портрет» молекулы белка, знания первичной и вторичной структуры
недостаточно. Эти сведения ещё не дают представления ни об объёме, ни о форме
молекулы, ни тем более о расположении участков цепи по отношению друг к другу.
А ведь все спирали и слои каким-то образом размещены в пространстве. Общая
пространственная структура поли-пептидной цепи называется третич­ной
структурой белка.

Первые пространственные
модели молекул белка — миоглобина и гемо­глобина — построили в конце 50-х гг. XX
в. английские биохимики Джон Ко-удери Кендрю (родился в 1917 г.) и Макс
Фердинанд Перуц (родился в 1914 г.). При этом они использовали данные
экспериментов с рентгенов­скими лучами. За исследования в об­ласти строения
белков Кендрю и Перуц в 1962 г. были удостоены Нобе­левской премии. А в конце
столетия была определена третичная структура уже нескольких тысяч белков.

При образовании третичной
струк­туры белка наконец-то проявляют активность R-группы — боковые це­пи
аминокислот. Именно благодаря им «слипаются» между собой боль­шинство
«бусинок»-аминокислот, придавая цепи определённую форму в пространстве.

В живом организме белки
всегда находятся в водной среде. А самое большое число основных аминокис­лот —
восемь — содержат неполяр­ные R-группы. Разумеется, белок стремится надёжно
спрятать внутрь своей молекулы неполярные боковые цепи, чтобы ограничить их
контакт с водой. Учёные называют это воз­никновением гидрофобных взаимо­действий
(см. статью «Мельчайшая единица живого»).

Благодаря гидрофобным взаимо­действиям
вся полипептидная цепоч­ка принимает определённую форму в пространстве, т. е.
образует третич­ную структуру.

В молекуле белка действуют и
дру­гие силы. Часть боковых цепей основ­ных аминокислот заряжена отрица­тельно,
а часть — положительно. Так как отрицательные заряды притяги­ваются к
положительным, соответст­вующие «бусинки» «слипаются». Элек­тростатические
взаимодействия, или, как их называют иначе, солевые мос­тики, — ещё одна
важная сила, ста­билизирующая третичную структуру.

У семи основных аминокислот
есть полярные боковые цепи. Между ними могут возникать водородные связи, тоже
играющие немалую роль в поддержании пространственной структуры белка.

Между двумя аминокислотными
остатками цистеина иногда образу­ются ковалентные связи (—S—S—),
которые очень прочно фиксируют
расположение разных участков бел­ковой цепи по отношению друг к другу. Такие
связи называют дисуль-фидными мостиками. Это самые не­многочисленные
взаимодействия в белках (в некоторых случаях они во­обще отсутствуют), зато по
прочно­сти они не имеют равных.

ВЫСШИЙ УРОВЕНЬ
ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ОРГАНИЗАЦИИ БЕЛКОВ

Молекула белка может состоять
не из одной, а из нескольких полипептидных цепей. Каждая такая цепь
представляет собой самостоятельную пространственную структуру — субь-единицу.
Например, белок гемогло­бин состоит из четырёх субъединиц, которые образуют
единую молекулу, располагаясь в вершинах почти пра­вильного тетраэдра.
Субъединицы «прилипают» друг к другу благодаря тем же самым силам, что
стабилизи­руют третичную структуру. Это гид­рофобные взаимодействия, солевые
мостики и водородные связи.

Если белок состоит из
нескольких субъединиц, говорят, что он обладает четвертичной структурой.
Такая структура представляет собой высший уровень организации белковой моле­кулы.
В отличие от первых трёх уров­ней четвертичная структура есть дале­ко не у всех
белков. Приблизительно половина из известных на сегодняш­ний день белков её не
имеют.

ПОЧЕМУ БЕЛКИ
БОЯТСЯ ТЕПЛА

Связи, поддерживающие
пространст­венную структуру белка, довольно лег­ко разрушаются. Мы с детства
знаем, что при варке яиц прозрачный яич­ный белок превращается в упругую белую
массу, а молоко при скисании загустевает. Происходит это из-за раз­рушения
пространственной структуры белков альбумина в яичном белке и ка­зеина (огглат. caseus — «сыр») в моло­ке. Такой процесс называется денату­рацией.
В первом случае её вызывает нагревание, а во втором — значи­тельное увеличение
кислотности (в результате жизнедеятельности обита­ющих в молоке бактерий). При
дена­турации белок теряет способность выполнять присущие ему в организме
функции (отсюда и название процес­са: от лат. denaturare —
«лишать при­родных свойств»). Денатурированные белки легче усваиваются
организмом, поэтому одной из целей термической обработки пищевых продуктов яв­ляется
денатурация белков.

ЗАЧЕМ НУЖНА
ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТРУКТУРА

В природе почти ничего не
происхо­дит случайно. Если белок принял определённую форму в пространстве, это
должно служить достижению ка­кой-то цели. Действительно, только бе­лок с
«правильной» пространственной структурой может обладать опреде­лёнными
свойствами, т. е. выполнять те функции в организме, которые ему предписаны. А
делает он это с помо­щью всё тех же R-групп аминокислот. Оказывается, боковые
цепи не толь­ко поддерживают «правильную» фор­му молекулы белка в пространстве.
R-группы могут связывать другие орга­нические и неорганические молекулы,
принимать участие в химических ре­акциях, выступая, например, в роли ка­тализатора.

Часто сама пространственная
ор­ганизация полипептидной цепи как раз' и нужна для того, чтобы сосредо­точить
в определённых точках про­странства необходимый для выполне­ния той или иной
функции набор боковых цепей. Пожалуй, ни один процесс в живом организме не
прохо­дит без участия белков.

В ЧЁМ СЕКРЕТ
ФЕРМЕНТОВ

Все химические реакции,
протекаю­щие в клетке, происходят благодаря особому классу белков — фермен­там.
Это белки-катализаторы. У них есть свой секрет, который позволяет им работать
гораздо эффективнее других катализаторов, ускоряя реак­ции в миллиарды раз.

Предположим, что несколько
при­ятелей никак не могут встретиться. Но стоило одному из них пригласить
друзей на день рождения, как резуль­тат не заставил себя ждать: все оказа­лись
в одном месте в назначенное время.

Чтобы встреча состоялась,
понадо­билось подтолкнуть друзей к контак­ту. То же самое делает и фермент. В
его молекуле есть так называемые цгнтры связывания. В них расположе­ны
привлекательные для определён­ного типа химических соединений (и только для
них!) «уютные кресла» — R-группы, связывающие какие-то уча­стки молекул
реагирующих веществ. Например, если одна из молекул име­ет неполярную группу, в
центре свя­зывания находятся гидрофобные бо­ковые цепи. Если же в молекуле есть
отрицательный заряд, его будет под­жидать в молекуле фермента R-группа с
положительным зарядом.

В результате обе молекулы
реаген­тов связываются с ферментом и ока­зываются в непосредственной близо­сти
друг от друга. Мало того, те их группы, которые должны вступить в химическую
реакцию, сориентирова­ны в пространстве нужным для реак­ции образом. Теперь за
дело прини­маются боковые цепи фермента, играющие роль катализаторов. В фер­менте
все «продумано» таким обра­зом, что R-группы-катализаторы тоже расположены
вблизи от места собы­тий, которое называют активным центром. А после
завершения реак­ции фермент «отпускает н

а волю» мо­лекулы-продукты (см. статью
«Фер­менты — на все руки мастера»).

ОТКУДА БЕРЁТСЯ
ИММУНИТЕТ

Белки выполняют в организме
мно­жество функций; они, например, за­щищают клетки от нежелательных вторжений,
предохраняют их от по­вреждений. Специальные белки — антитела обладают
способностью распознавать проникшие в клетки бактерии, вирусы, чужеродные поли­мерные
молекулы и нейтрализовывать их.

У высших позвоночных от чуже­родных
частиц организм защищает иммунная система. Она устроена так, что
организм, в который вторг­лись такие «агрессоры» — антигены, начинает
вырабатывать антитела. Молекула антитела прочно связыва­ется с антигеном: у
антител, как и у ферментов, тоже есть центры связы­вания. Боковые цепи аминокислот
расположены в центрах таким обра­зом, что антиген, попавший в эту ло­вушку, уже
не сможет вырваться из «железных лап» антитела. После свя­зывания с антителом
враг выдворяет­ся за пределы организма.

Можно ввести в организм
неболь­шое количество некоторых полимер­ных молекул, входящих в состав бак­терий
или вирусов-возбудителей какой-либо инфекционной болезни.

В организме немедленно
появятся соответствующие антитела. Теперь попавший в кровь или лимфу «насто­ящий»
болезнетворный микроб тот­час же подвергнется атаке этих анти­тел, и болезнь
будет побеждена. Такой способ борьбы с инфекцией есть не что иное, как
нелюбимая многими прививка. Благодаря ей организм приобретает иммунитет к
инфекци­онным болезням.

ДЛЯ ЧЕГО В
ГЕМОГЛОБИНЕ ЖЕЛЕЗО

В природе существуют белки, в
ко­торых помимо аминокислот содер­жатся другие химические компонен­ты, такие,
как липиды, сахара, ионы металлов. Обычно эти компоненты играют важную роль при
выполне­нии белком его биологической функ­ции. Так, перенос молекул и ионов из
одного органа в другой осуществля­ют транспортные белки плазмы крови.
Белок гемоглобин (от греч. «гема» — «кровь» и лат. globus — «шар», «шарик»), содержащийся в кровяных клетках — эритроцитах (от греч.
«эритрос» — «красный» и «китос» — «клетка»), доставляет кис­лород от лёгких к
тканям. В молеку­ле гемоглобина есть комплекс иона железа Fe24" со сложной органической молекулой, называемый гемам.
Гемо­глобин состоит из четырёх белковых субъединиц, и каждая из них содер­жит
по одному гему.

В связывании кислорода в
лёгких принимает участие непосредственно ион железа. Как только к нему хотя бы
в одной из субъединиц присоединя­ется кислород, сам ион тут же чуть-чуть меняет
своё расположение в мо­лекуле белка. Движение железа «про­воцирует» движение
всей аминокис­лотной цепочки данной субъединицы, которая слегка трансформирует
свою третичную структуру. Другая субъеди­ница, ещё не присоединившая кислород,
«чувствует», что произошло с со­седкой. Её структура тоже начинает меняться. В
итоге вторая субъедини­ца связывает кислород легче, чем пер­вая. Присоединение
кислорода к третьей и четвёртой субъединицам происходит с ещё меньшими трудно­стями.
Как видно, субъединицы помо­гают друг другу в работе. Для этого-то гемоглобину
и нужна четвертичная структура. Оксид углерода СО (в про­сторечии угарный газ)
связывается с железом в геме в сотни раз прочнее кислорода. Угарный газ
смертельно опасен для человека, поскольку ли­шает гемоглобин возможности при­соединять
кислород.

А ЕЩЁ БЕЛКИ...

...Служат питательными
веществами. В семенах многих растений (пшени­цы, кукурузы, риса и др.)
содержатся пищевые белки. К ним относятся так­же альбумин — основной компонент
яичного белка и казеин — главный белок молока. При переваривании в организме
человека белковой пищи происходит гидролиз пептидных свя­зей. Белки
«разбираются» на отдель­ные аминокислоты, из которых орга­низм в дальнейшем
«строит» новые пептиды или использует для полу­чения энергии. Отсюда и
название:

греческое слово «пептос»
означает «переваренный». Интересно, что гид­ролизом пептидной связи управляют
тоже белки — ферменты.

...Участвуют в регуляции
клеточ­ной и физиологической активности. К подобным белкам относятся мно­гие гормоны
(от греч. «гормао» — «по­буждаю»), такие, как инсулин, регули­рующий
обмен глюкозы, и гормон роста.

...Наделяют организм способно­стью
изменять форму и передвигать­ся. За это отвечают белки актин и ми­озин, из
которых построены мышцы.

...Выполняют опорную и
защитную функции, скрепляя биологические структуры и придавая им прочность.
Кожа представляет собой почти чис­тый белок коллаген, а волосы, ногти и перья
состоят из прочного нерас­творимого белка кератина.

ЧТО ЗАПИСАНО В
ГЕНАХ

Последовательность
аминокислот в белках кодируется генами, которые хранятся и передаются по
наследству с помощью молекул ДНК (см. статьи «Хранитель наследственной инфор­мации.
ДНК» и «Экспрессия генов»). Пространственную структуру белка задаёт именно
порядок расположе­ния аминокислот. Получается, что не только первичная, но и
вторичная, третичная и четвертичная структуры белков составляют содержание на­следственной
информации. Следо­вательно, и выполняемые белками функции запрограммированы
гене­тически. Громадный перечень этих функций позволяет белкам по праву
называться главными молекулами жизни. Поэтому сведения о белках и есть то
бесценное сокровище, кото­рое передаётся в природе от поколе­ния к поколению.

Интерес человека к этим
органи­ческим соединениям с каждым годом только увеличивается. Сегодня учёные
уже расшифровали структуру многих белковых молекул. Они выясняют функции самых
разных белков, пыта­ются определить взаимосвязь функ­ций со структурой.
Установление сходства и различий у белков, выпол­няющих аналогичные функции у
раз­ных живых организмов, позволяет глубже проникать в тайны эволюции.

АМИНОКИСЛОТЫ — ПОКАЗАТЕЛИ ВОЗРАСТА

D- и L-формы аминокислот обладают способностью очень
медленно превращаться друг в друга. За определённый (весьма длительный) период
времени чистая D- или I-форма может стать смесью равных количеств обеих
форм. Такая смесь называется раиемагом, а сам процесс —раие-мизаиией.
Скорость рацемизации зависит от температуры и типа амино­кислоты. Данное
свойство можно использовать для определения возрас­та ископаемых остатков
организмов, а при необходимости — и живых существ. Например, в белке дентина
(дентин — костная ткань зубов) 1-ас-парагиновая кислота самопроизвольно
раиемизуется со скоростью 0,1 % в год. У детей в период формирования зубов в
дентине содержится толь­ко 1-аспарагиновая кислота. Дентин выделяют из зуба и
определяют В нём содержание 0-формы. Результаты теста достаточно точны. Так,
для 97-лет­ней женщины, возраст которой был документально засвидетельствован,
тест показал возраст 99 лет. Данные исследований, выполненных на ис­копаемых
остатках доисторических животных — слонов, дельфинов, мед­ведей, — хорошо
согласуются с результатами датирования, полученными радионуклидным методом.

ЗА ЧТО СЕНГЕР ПОЛУЧИЛ НОБЕЛЕВСКИЕ ПРЕМИИ

При гидролизе белков до аминокислот
(разрушении пептидной связи во­дой) теряется информация о последовательности их
соединения. Поэто­му долгое время считали, что определение первичной структуры
белка представляет собой совершенно безнадежную задачу. Но в 50-х гг. XX в.
английский биохимик Фредерик Сенгер (родился в 1918 г.) смог расшиф­ровать
последовательность аминокислот в полипептидных цепях гормо­на инсулина. За эту
работу, на выполнение которой ушло несколько лет, в 1958 г. Сенгер был удостоен
Нобелевской премии по химии (двадца­тью годами позже он совместно с У.
Гилбертом получил вторую премию за вклад в установление первичной структуры
ДНК).

Принципы определения
аминокислотной последовательности, впервые сформулированные Сенгером,
используются и ныне, правда, со всевоз­можными вариациями и
усовершенствованиями. Процедура установле­ния первичной структуры белка сложна
и многоступенчата: в ней около десятка различных стадий. Сначала белок
расщепляют до отдельных ами­нокислот и устанавливают их тип и количество в
данном веществе. На сле­дующей стадии длинную белковую молекулу расщепляют уже
не полно­стью, а на фрагменты. Затем в этих фрагментах определяют порядок
соединения аминокислот, последовательно отделяя их одну за другой. Расшепление
белка на фрагменты проводят несколькими способами, что­бы в разных фрагментах
были перекрывающиеся участки. Выяснив поря­док расположения аминокислот во всех
фрагментах, получают полную ин­формацию о том, как аминокислоты расположены в
белке. К концу XX в. созданы специальные приборы, определяющие
последовательность амино­кислот в молекуле белка в автоматическом режиме — секвенаторы
(от англ. sequence — «последовательность»).

молоко

И КИСЛОМОЛОЧНЫЕ ПРОДУКТЫ

Молоко представляет собой
коллоидный раствор жира в воде. Под микроскопом хорошо видно, что оно
неоднородно: в бесцветном растворе (сыворотке) плавают жировые шарики.

В
коровьем молоке обычно содержится от 3 до 6 % жиров (в основном это сложные
эфиры глицерина и насыщенных карбоновых кислот - пальмитиновой, стеариновой),
около 3 % белков, а ешё углеводы, органические кислоты, витамины и минеральные
вещества.

Белок
казеин в молоке присутствует в связанном виде - ковалентно присоединённые к
аминокислоте сери-ну фосфатные группы образуют соли с ионами кальция. При
подкислении молока эти соли разрушаются, и казеин выделяется в виде белой
творожистой массы. В желудке человека под действием особых ферментов происходит
процесс, называемый “створажива-нием казеина”. Створоженный казеин выпадает в
осадок и медленнее выводится из организма, а потому полнее усваивается. Казеин
высоко питателен:

в нём есть почти все
аминокислоты, необходимые человеку для построения собственных белков. В чистом
виде он представляет собой безвкусный белый порошок, не растворимый в воде.
Помимо него в молоке содержатся и другие белки, например лактальбумин. При
кипячении этот белок превращается в нерастворимую форму, образуя на поверхности
кипячёного молока характерную белую плёнку - пенку.

Входящий
в состав молока сахар лактоза С^НддО,, изомерен сахарозе. В организме человека
под действием фермента лактазы этот сахар расщепляется на моносахариды глюкозу
и галактозу, которые легко усваиваются. За счёт этого, например, грудные дети
пополняют запасы углеводов. Интересно, что у многих людей (в основном у
представителей монголоидной расы) организм в зрелом возрасте утрачивает
способность расщеплять лактозу.

Проходя через
пищеварительный тракт, лактоза не усваивается, а становится питательной средой
для развития различных болезнетворных микроорганизмов, что приводит к общему
недомоганию. Именно поэтому народы Дальнего Востока (японцы, китайцы)
практически не употребляют в пишу молочные продукты.

В
промышленных условиях молоко подвергают тепловой обработке, цель которой -
подавить развитие микроорганизмов и продлить срок его хранения. Для этого
молоко пастеризуют - выдерживают 30 мин при 65 °С, а также используют кратковременную
термообработку - нагревают в течение 10-20 с до 71 °С. По сравнению с
пастеризацией термообработка лучше сохраняет питательные вещества, в первую
очередь витамины. Чтобы молоко не расслаивалось на сливки и сыворотку, его
гомогенизируют - пропускают под давлением через небольшие отверстия. Жировые
шарики дробятся, уменьшаются в размерах, а молоко становится более вязким.

Значительная
часть молока идёт на переработку - для производства сливочного масла, сыра и
кисломолочных продуктов (кефира, ряженки, простокваши, сметаны).

Чтобы
получить кефир, молоко сквашивают - выдерживают в течение 8-10 ч при 20-25 °С,
добавляя затравку молочнокислых бактерий. Под их действием лактоза распадается
до молочной кислоты:

с„н„о„ + н,о =

лактоза

== 4СНзСН(ОН)СООН. молочная
(2-гидроксипропановая) кислота

Именно
молочная кислота определяет специфический вкус кефира. По мере того как она
накапливается в растворе, происходит коагуляция (свёртывание)казеина, который
выделяется в свободном виде. Поэтому кефир имеет более густую консистенцию, чем
молоко. Молочнокислое сбраживание лактозы сопровождается спиртовым брожением,
из-за чего в кисломолочных продуктах, в частности в кефире,
есть небольшое количество алкоголя (до 0,03 %). В кисломолочных продуктах
содержатся также микроорганизмы, которые подавляют развитие болезнетворных
бактерий и тем самым улучшают пишеварение.

Творог
тоже получают сквашиванием молока молочнокислыми бактериями. Его главной
составной частью является белок казеин.

Чтобы
приготовить сливочное масло, от молочной сыворотки необходимо отделить капельки
жира, входящие в состав молока. Для этого сбивают сливки - верхний, более
жирный слой, образующийся при отстаивании молока.

Казеин
входит также в состав сыров. Их делают, добавляя в молоко бактериальную закваску
и специальные ферменты, а затем подогревая смесь до определённой температуры. В
выделившийся сгусток вновь вводят ферменты и подогревают. При этом происходит
частичное изменение структуры и состава казеина. Затем смесь раскладывают по
формам и длительное время - до шести месяцев - выдерживают при низкой
температуре (не выше 15 °С). Во время созревания казеин под действием ферментов
распадается на поли-пептиды и свободные аминокислоты. Часть аминокислот
окисляется кислородом воздуха, при этом образуются аммиак, альдегиды, а также
кетокислоты, придающие сыру характерный аромат.

Скисание молока - привычный пример
денатурации белка.

МЕДНАЯ КРОВЬ

В холодных водах Перуанского течения в Тихом океане обитает
кальмар Dosidicus gigas. Его сигарообразное тело вместе со щупальцами достигает в
длину
3,5 м, а масса гиганта
может превышать 150 кг. Мощные мышиы выбрасывают струю воды с силой, с какой она бьёт из
пожарного рукава, благодаря чему кальмар способен двигаться со скоростью до 40 км/ч. Клювом, очень крепким и острым,
он может перебить стальной кабель. По свидетельству очевидцев, кальмар
буквально в клочья раздирает 20-килограммовую рыбину. Этот свирепый хишник
очень опасен и для человека. В книге Франка Лейна “Царство осьминога”
утверждается, что “человек, упавший за борт в местах, где обитает много
кальмаров, не проживёт и полминуты”.

Чтобы “зарядиться”
энергией, этому обитателю океана требуется много кислорода - не менее 50 л в час. По-ступаюший из морской воды
кислород разносится по телу кальмара с помошью особого белка, содержащего медь, - гемоиианина (от греч. “гема” - “кровь” и “кианос” - “лазурный”, “голубой”).

Стоит заметить, что в крови
позвоночных кислород “транспортируют” атомы железа в составе гема - особой сложной молекулы, которая
входит в состав белка гемоглобина. Им буквально нашпигованы красные кровяные
клетки
- эритроциты. Молекула
гемоглобина содержит четыре гемовых фрагмента, каждый из которых способен
связать молекулу кислорода. В отличие от гемоглобина, в гемоиианине атомы меди
непосредственно связаны с белковыми молекулами, которые не включены ни в какие
клетки, а свободно “плавают” в крови. Зато одна молекула гемоииани

на способна связать до 200 атомов меди. И ешё одна особенность
гемоииани-на -
его молекулы имеют огромные даже для белков размеры. У “обычных” белков,
входящих в состав яиц, молока, мыши, молекулярная масса колеблется в пределах
от б тыс. до 1
млн, а молекулярная масса гемоиианина может достигать 10 млн! Это один из самых крупных
белков; больше по размеру и массе только белковые комплексы у вирусов.

Гемоиианин - очень древний белок. Он устроен
проще, чем гемоглобин и не так эффективен. Тем не менее при малом содержании
кислорода в морской воде гемоиианин довольно успешно снабжает им ткани
холоднокровных животных. Так, давление кислорода в жабрах лангуста составляет
всего
7 мм рт. ст. (930 Па), а в тканях - 3 мм рт. ст.; причём концентрация этого
газа в крови лангуста в 20 раз выше, чем в морской воде.

Кроме кальмаров, кислород переносится
“голубой кровью” также у де-сятиногих ракообразных (омары, крабы, креветки).
Гемоиианин найден у всех головоногих моллюсков (осьминоги, кальмары,
каракатицы), разнообразных улиток, пауков и др. А вот у морских гребешков,
устриц и других двустворчатых моллюсков его нет.

Количество гемоиианина в крови может
быть самым разным. Так, у шустрых осьминога и мечехвоста (морское животное типа
членистоногих) концентрация этого необычного белка доходит до 10 г в 100 мл крови - почти столько же гемоглобина в крови
человека. В то же время, у малоподвижного съедобного моллюска морское ушко Hatiotis
tuberculata в 100 мл крови всего 0,03 г гемоиианина. Это и понятно: чем
более активно животное,

чем больше кислорода необходимо ему для восполнения
энергетических затрат, тем выше в крови концентрация белка, переносящего
кислород.

Гемоиианин был открыт в 60-х гг. XIX в., когда биологи заметили, что кровь
головоногих моллюсков при прохождении через жабры окрашивается в голубой цвет.
А в
1878 г. бельгийский
физиолог Леон Фредерик доказал, что голубой цвет вызван реакцией кислорода с
медьсодержащим белком, который он назвал гемоиианином. Когда последний теряет
кислород, он, в отличие от гемоглобина, становится бесцветным. Примечательно,
что всю работу по изучению нового белка Фредерик выполнил в течение одного дня.

Из гемоиианина нетрудно полностью
извлечь медь. Аля этого достаточно обработать белок в отсутствие кислорода
реактивом, который прочно связывается с ионами одновалентной меди. Таким же
способом можно определить содержание меди в гемоиианине. Лишённый этого металла,
он теряет способность переносить кислород. Но если потом ввести в раствор белка
ионы Си"1',
гемоиианин восстанавливает свою физиологическую активность. Так было доказано,
что в отсутствие кислорода медь гемоиианина находится в степени окисления +1. При избытке же этого газа происходит
частичное окисление металла. При этом всегда на одну связанную гемоиианином
молекулу кислорода приходится два атома меди. Таким образом, кислород окисляет
ровно половину атомов меди. Это ещё одно отличие гемоиианина от значительно
более распространённого в животном мире гемоглобина, в котором все атомы железа
равноценны и имеют заряд +2 как в свободном состоянии, так и в комплексе с кислородом.

Список использованной
литературы:

1)   
Энциклопедия для детей “Аванта+”.Том17.
Химия. Москва 2000. (стр480-293)