Погляд на хімію
Білки можуть бути поміщені на перше місце в «біологічному світі», оскільки, враховуючи їх численні функції, без них не було б життя.
Елементний аналіз білків дає такі середні значення: 55% вуглецю, 7% водню і 16% азоту; зрозуміло, що білки відрізняються один від одного, але їх середній елементний склад мало відхиляється від зазначених вище значень.
Конституційно білки - це макромолекули, утворені з природних α-амінокислот; Амінокислоти об'єднують через амідну зв'язок, яка встановлюється реакцією між аміногрупою a-амінокислоти і карбоксилом іншої а-амінокислоти. Цей зв'язок (-CO-NH-) також називається пептидним зв'язком, оскільки він зв'язує пептиди (амінокислоти в комбінації):
отриманий дипептид, оскільки він утворений двома амінокислотами. Оскільки дипептид містить вільну аміногрупу на одному кінці (NH2) і карбоксил на іншому (COOH), він може реагувати з однією або декількома амінокислотами і розтягувати ланцюг як з правого, так і з лівого, з тією ж реакцією, що спостерігається вище.
Послідовність реакцій (яка, в будь-якому випадку, не дуже проста) може тривати нескінченно: до тих пір, поки не з'явиться полімер, званий поліпептидом або білком . Різниця між пептидами і білками пов'язана з молекулярною масою: зазвичай для молекулярних мас більше 10000 вона називається білком.
Зв'язування амінокислот для отримання навіть малих білків є важкою операцією, хоча останнім часом був розроблений автоматичний спосіб отримання білків з амінокислот, що дає чудові результати.
Найпростіший білок, таким чином, складається з 2 амінокислот: за міжнародною конвенцією упорядкована нумерація амінокислот у білковій структурі починається від амінокислоти з вільною а-аміногрупою.
Структура білка
Білкові молекули формуються так, що ми можемо бачити до чотирьох різних організацій: вони, як правило, відрізняються первинною структурою, вторинною, третинною і четвертинною.
Первинні і вторинні структури є істотними для білків, тоді як третинні і четвертинні структури є "аксесуаром" (в тому сенсі, що не всі білки можуть бути обладнані ними).
Первинна структура визначається кількістю, типом і послідовністю амінокислот у білковому ланцюзі; Тому необхідно визначити впорядковані послідовності амінокислот, що входять до складу білка (знати це означає знати точну послідовність підстав ДНК, які кодифікують цей білок), що зустрічається з незначними хімічними труднощами.
Можна було визначити впорядковані послідовності амінокислот за допомогою деградації Едмана: білок реагував з фенилизотиоцианом (FITC); спочатку дублет α-аміно-азоту атакує фенилизотиоцианат, утворюючи тиокарбамильное похідне; згодом отриманий продукт циклізує, даючи похідне фенилтиоидантоина, яке є флуоресцентним.
Едман розробив машину під назвою секвенсор, яка автоматично коригує параметри (час, реагенти, рН і т.д.) для деградації і забезпечує первинну структуру білків (для цього він отримав Нобелівську премію).
Первинної структури недостатньо, щоб повністю інтерпретувати властивості білкових молекул; вважається, що ці властивості істотно залежать від просторової конфігурації, яку молекули білків схильні приймати, згинаючись різними способами, тобто припускаючи те, що було визначено як вторинну структуру білків. Вторинна структура білків тремолабільна, тобто вона має тенденцію відкидатись за рахунок нагрівання; потім білки денатурують, втрачаючи багато своїх характерних властивостей. Крім нагрівання вище 70 ° C, денатурація може бути також викликана опроміненням або дією реагентів (наприклад, сильних кислот).
Денатурація білків тепловим ефектом спостерігається, наприклад, при нагріванні яєчних білків: спостерігається втрата її желатинового вигляду і перетворення в нерозчинне біле речовина. Однак денатурація білків призводить до руйнування їх вторинної структури, але залишає первинну структуру (конкатенацію різних амінокислот) незмінною.
Білки беруть на третинну структуру, коли їх ланцюг, поки ще гнучка, незважаючи на складання вторинної структури, складається таким чином, щоб створити скручену тривимірну композицію у вигляді твердого тіла. Дисульфідні зв'язки, які можуть бути встановлені між цистеїном -SH, розсіяним уздовж молекули, в основному відповідають за третинні структури.
З іншого боку, четвертинна структура конкурує тільки для білків, утворених двома або більше субодиницями. Гемоглобін, наприклад, складається з двох пар білків (тобто у всіх чотирьох білкових ланцюгах), розташованих у вершинах тетраедра таким чином, що дає початок структурі сферичної форми; чотири білкові ланцюги утримуються разом іонними силами, а не ковалентними зв'язками.
Іншим прикладом четвертинної структури є інсулін, який складається з шести білкових субодиниць, розташованих попарно у вершинах трикутника, у центрі якого розташовані два атоми цинку.
БІЛКИ ВІЛЬНІ: вони є білками з певною жорсткістю і мають вісь значно довше іншої; найбільш поширеним волокнистим білком в природі є колаген (або колаген).
Фіброзний білок може приймати кілька вторинних структур: α-спіраль, β-листка і, у разі колагену, потрійна спіраль; α-спіраль є найбільш стійкою структурою, за якою слідує β-листка, а найменш стійкою з трьох є потрійна спіраль.
α-спіраль
Пропелер вважається правостороннім, якщо після головного каркаса (орієнтованого знизу вгору) виконується рух, подібне до закручування правого шнека; при цьому пропелер є лівою рукою, якщо рух аналогічний загвинчуванню лівого шнека. У правому α-спіралі -R заступники амінокислот перпендикулярні головній осі білка і стоять назовні, тоді як в лівій руці a-спіралі заступники -R стикаються всередину. Права a-спіраль є більш стабільною, ніж ліва рука, тому що між чашками -R є менше взаємодії і менше стеричних перешкод. Всі α-спіралі, знайдені в білках, є декстрогінні.
Структура α-спіралі стабілізується водневими зв'язками (водневими мостами), які утворюються між карбоксильною групою (-C = O) кожної амінокислоти і аміногрупою (-NH), яка є чотирма залишками пізніше в лінійна послідовність.
Прикладом білка, що має структуру α-спіралі, є кератин волосся.
β-лист
У структурі β-листків водневі зв'язки можуть утворюватися між амінокислотами, що належать до різних, але паралельних поліпептидних ланцюгів, або між амінокислотами одного і того ж білка, навіть чисельно віддаленими один від одного, але протікають в антипараллельних напрямках. Однак водневі зв'язки слабкіші, ніж ті, які стабілізують форму α-спіралі.
Прикладом структури β-листків є шовковий фібрин (він також міститься в павутині).
Розширюючи структуру α-спіралі, здійснюють перехід від α-спіралі до β-листків; також тепло або механічне напруження дозволяють перейти від структури α-спіралі до β-структурі листа.
Зазвичай в білку структури β-листків близькі один до одного, оскільки можуть бути встановлені водневі зв'язки між частинами білка.
У волокнистих білках більша частина білкової структури організована як α-спіраль або β-листка.
ГЛОБУЛЬНІ БІЛКИ: вони мають майже сферичну просторову структуру (завдяки численним змінам напрямку поліпептидного ланцюга); деякі ділянки буття можна простежити до α-спіралі або структури β-листівок, а інші частини не приписуються цим формам: композиція не випадкова, а організована і повторювана.
Згадані до теперішнього часу білки є речовинами повністю гомогенної будови: тобто чистими послідовностями комбінованих амінокислот; ці білки називаються простими ; є білки, складені з білкової частини і небілкової частини (групи простати), звані кон'югованими білками.
колаген
Це найпоширеніший у природі білок: він присутній у кістках, нігтях, рогівці та кришталику ока, між інтерстиціальними просторами деяких органів (наприклад, печінці) тощо.
Його структура надає йому особливі механічні можливості; вона має велику механічну стійкість, пов'язану з високою еластичністю (наприклад, у сухожиллях) або високою жорсткістю (наприклад, у кістках) залежно від функції, яку вона повинна виконувати.
Одним з найбільш цікавих властивостей колагену є його конститутивна простота: вона утворюється приблизно на 30% проліном і приблизно 30% гліцином ; інші 18 амінокислот повинні бути розділені тільки залишилися 40% білкової структури. Амінокислотна послідовність колагену є надзвичайно регулярною: кожен третій залишок, третій - гліцин.
Пролін являє собою циклічну амінокислоту, в якій група R зв'язується з α-аміно-азотом і це надає певній жорсткості.
Кінцева структура являє собою повторювану ланцюг, що має форму спіралі; в межах колагенової ланцюга водні зв'язки відсутні. Колаген являє собою ліву спіраль з кроком (довжиною, що відповідає обороту спіралі) більше, ніж α-спіраль; спіраль колагену настільки пухка, що три білкових ланцюга здатні обернути між собою, утворюючи єдину мотузку: структуру потрійної спіралі.
Потрійна спіраль колагену, однак, менш стійка, ніж і структура α-спіралі, і структура β-листків.
Давайте тепер побачимо механізм, за допомогою якого виробляється колаген ; Розглянемо, наприклад, розрив кровоносної судини: цей розрив супроводжується безліччю сигналів для того, щоб закрити посудину, утворюючи таким чином згусток. Коагуляція вимагає принаймні тридцяти спеціалізованих ферментів. Після згустку необхідно продовжувати ремонт тканини; клітини, близькі до рани, також продукують колаген. Для цього спочатку індукується експресія гена, тобто організми, що починаються з інформації про ген, здатні продукувати білок (генетична інформація транскрибується на мРНК, яка походить від ядра і досягає рибосом в цитоплазмі, де генетична інформація переводиться в білок). Потім у рибосомах синтезується колаген (він з'являється як спіраль лівої руки, що складається з близько 1200 амінокислот і має молекулярну масу близько 150000 d), а потім накопичується в люменх, де стає субстратом для ферментів, здатних виробляти постійні модифікації. -традиційні (мовні модифікації, перекладені мРНК); в колагені ці модифікації складаються з окислення деяких бічних ланцюгів, особливо проліну і лізину.
Неспроможність ферментів, що призводять до цих модифікацій, викликає цингу: це захворювання, яке викликає, спочатку розрив кровоносних судин, розрив зубів, за яким можуть слідувати міжкишкові кровотечі і смерть; це може бути викликане постійним використанням продуктів тривалого життя.
Згодом під дією інших ферментів відбуваються інші модифікації, які полягають у глікозидації гідроксильних груп проліну та лізину (цукор зв'язується з киснем OH); ці ферменти знаходяться в інших областях, крім просвіту, тому, хоча білок зазнає модифікацій, він мігрує всередину ендоплазматичного ретикулуму, щоб закінчитися в мішечках (везикулах), які закриваються на себе і відриваються від решітки: всередині вони містяться глікозильований про-колагеновий мономер; останній досягає апарату Гольджі, де певні ферменти розпізнають цистеїн, присутній в карбоксильній частині глікозильованого про-колагену, і змушують різні ланцюги наближатися один до одного і утворювати дисульфідні містки: три ланцюги про \ t глікозидний колаген пов'язаний разом і це є відправною точкою, з якої три ланцюга, взаємопроникні, потім, спонтанно, породжують потрійну спіраль. Три гліцидоокислені про-колагенові ланцюга, пов'язані один з одним, досягають, то везикула, яка, задихаючись на себе, відривається від апарату Гольджі, транспортуючи три ланцюги до периферії клітини, де через злиття з плазматичною мембраною триметро виключається з клітини.
У позаклітинному просторі є певні ферменти, про-колагенові пептидази, які видаляють з видобутих з клітини видів, три фрагменти (по одній на кожну спіраль) по 300 амінокислот, кожна на карбокси-кінцевій стороні і три фрагменти (по одному на кожну спіралі) близько 100 амінокислот кожна, з аміно-кінцевої частини: потрійна залишка, що складається з близько 800 амінокислот для спіралі, відомої як тропоколлаген .
Тропоколлаген має вигляд досить жорсткої палички; різні тримери пов'язані з ковалентними зв'язками для отримання більших структур: мікрофібрил . У мікрофібрилах різні тримери розташовані в шаховому порядку; стільки мікрофібрил є тропоколлагеновими пучками.
У кістках, серед колагенових волокон, є інтерстиціальні простори, в яких осідають сульфати кальцію і магнію і фосфати: ці солі також охоплюють всі волокна; це робить кістки жорсткими.
У сухожиллях міжвузлові простори менш багаті кристалами, ніж кістки, тоді як менші білки присутні в порівнянні з тропоколлагеном: це дає еластичність сухожиллям.
Остеопороз - це захворювання, викликане дефіцитом кальцію і магнію, що унеможливлює фіксацію солей в інтерстиціальних зонах тропоколлагенових волокон.
