§ 23. Белки

Определения и обозначения

Белки, или протеины, — природные высокомолекулярные вещества, построенные из остатков аминокислот. Они являются важнейшим классом органических соединений, потому что входят в состав клеток и обеспечивают множество процессов жизнедеятельности. По строению белка можно объяснить его свойства и выполняемую функцию.

Аминокислоты — органические соединения, содержащие аминогруппу и карбоксильную группу. В белковой молекуле присутствуют не свободные исходные вещества, а их остатки, включённые в общую цепь. Именно набор и порядок этих остатков позволяют клетке получать белки с разными свойствами.

Пептидная связь — связь между остатками аминокислот, возникающая при взаимодействии карбоксильной группы одной аминокислоты с аминогруппой другой. Она соединяет соседние звенья белковой цепи в устойчивую последовательность. Поэтому белок нельзя рассматривать как случайную смесь аминокислот.

Денатурация — нарушение природной пространственной структуры белка, обычно сопровождающееся утратой его биологических свойств. При этом белковая цепь часто не распадается на отдельные аминокислоты, а меняет форму. Понятие помогает объяснить, почему нагревание или изменение среды может сделать белок неактивным.

Как это устроено

Белковая цепь образуется из остатков аминокислот, соединённых пептидными связями. Такая связь возникает при реакции карбоксильной группы одного звена с аминогруппой другого, поэтому отщепляется молекула воды. Повторение этого процесса создаёт длинную цепь, в которой сохраняются свободные группы на концах и определённый порядок звеньев.

Последовательность аминокислотных остатков называют первичной структурой белка. Она задаётся при синтезе и влияет на то, какие участки цепи смогут взаимодействовать между собой. Затем цепь изгибается и сворачивается, потому что разные её части притягиваются или отталкиваются, формируя более сложную пространственную организацию.

Структура белка определяет его свойства, поскольку форма молекулы задаёт расположение химически активных участков. Даже замена одного остатка может изменить сворачивание цепи и работу всего белка. Если нарушается пространственная форма, молекула иногда сохраняет состав, но теряет способность связывать нужные вещества или ускорять реакцию.

Белки выполняют структурную функцию: коллаген придаёт прочность коже, сухожилиям и другим тканям. Каталитическую функцию выполняют ферменты, ускоряющие реакции, транспортную — гемоглобин, переносящий кислород, а защитную — антитела, распознающие чужеродные частицы. Кроме того, белки участвуют в движении, передаче сигналов и регуляции процессов организма.

Нагревание, резкое изменение кислотности, действие спирта, солей тяжёлых металлов и других веществ могут нарушить взаимодействия, удерживающие белковую форму. Это вызывает денатурацию: цепь разворачивается или меняет взаимное расположение участков, поэтому её функция исчезает. При мягком воздействии первичная структура иногда сохраняется, и тогда возможно обратное сворачивание — ренатурация; сильное воздействие часто делает восстановление невозможным.

Структура и свойства белков

Таблицу удобно читать как цепочку причин: состав и тип связи определяют строение, а строение связано со свойствами белка. При разборе примера сначала выясняйте, из каких звеньев состоит молекула и как они соединены, затем определяйте последствия изменения формы. Отдельно проверяйте, идёт ли речь о сохранении цепи или о её полном разрушении.

Разбор задач

Задача 1

Условие: укажите, какие группы взаимодействуют при образовании пептидной связи между двумя аминокислотами, и назовите выделяющуюся молекулу. Нужно сопоставить функциональные группы, а не просто сложить названия веществ. Реакция относится к образованию связи с отщеплением небольшой молекулы.

1. Находим карбоксильную группу —COOH у первой аминокислоты.
2. Находим аминогруппу —NH₂ у второй аминокислоты.
3. При взаимодействии от карбоксильной группы отщепляется OH, а от аминогруппы — H; вместе они образуют H₂O.

Ответ: взаимодействуют карбоксильная и аминогруппа; выделяется вода H₂O. Между остатками образуется пептидная связь —CO—NH—.

Задача 2

Условие: в фрагменте цепи записаны остатки глицина и аланина. Изобразите схематично связь между ними и определите, сколько пептидных связей содержит этот фрагмент. Глицин и аланин здесь рассматриваются как соседние звенья одной цепи, поэтому нужно показать соединение, а не две отдельные молекулы.

1. Записываем фрагмент в общем виде: остаток глицина—остаток аланина.
2. Между ними ставим пептидный фрагмент —CO—NH—.
3. Считаем соединения между соседними остатками: у двух звеньев такое соединение только одно.

Ответ: схема имеет вид Gly—CO—NH—Ala, или сокращённо Gly—Ala с обозначенной пептидной связью. Фрагмент содержит одну пептидную связь.

Задача 3

Условие: раствор белка нагрели, после чего он свернулся и утратил активность. Нужно объяснить изменение, назвать возможные факторы и связать потерю активности с формой молекулы. Нельзя автоматически считать, что белок распался на аминокислоты.

1. Нагревание нарушило слабые взаимодействия, поддерживавшие природное сворачивание белка.
2. Из-за этого изменилась пространственная структура, а вместе с ней — форма активного участка молекулы.
3. Изменённый участок больше не может правильно связывать вещества или ускорять реакцию, поэтому активность исчезла.
4. Подобное действие также могут вызвать изменение кислотности, спирты и соли тяжёлых металлов.

Ответ: произошла денатурация. Обычно первичная структура при таком воздействии сохраняется, но пространственная форма нарушается; при мягком воздействии иногда возможна ренатурация.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Белок считают просто набором аминокислот, забывая об их последовательном соединении. Так происходит, если не различать смесь веществ и единую макромолекулу. Проверьте себя: должны быть названы порядок остатков и пептидные связи.

Ошибка 2. Аминокислоту путают с её остатком в цепи. Причина — запись похожих названий, хотя при образовании связи отщепляется вода и состав звена меняется. Проверка проста: при соединении должны учитываться карбоксильная и аминогруппа, а также H₂O.

Ошибка 3. Структуру белка сводят только к последовательности аминокислот. Последовательность действительно важна, но свойства зависят и от пространственного сворачивания цепи. Спросите себя, изменится ли функция при сохранённом составе, но изменённой форме: да, изменится.

Ошибка 4. Денатурацию принимают за полный распад белка на аминокислоты. Обычно нарушается пространственная организация, тогда как первичная структура сохраняется. Чтобы проверить ответ, выясните, говорится ли о разрушении цепи или только о потере её природной формы.

Связь с другими темами

Для понимания белков нужны знания о строении аминокислот, свойствах аминогруппы и карбоксильной группы, а также об образовании химических связей. Тема связана с химией полимеров: белковая цепь состоит из повторяющихся звеньев, соединённых между собой. Позже эти сведения пригодятся при изучении ферментов, обмена веществ, питания и биохимических процессов.

Что запомнить

• Белки — природные высокомолекулярные соединения из остатков аминокислот.
• Остатки аминокислот в белковой цепи связаны пептидными связями.
• При образовании пептидной связи выделяется вода.
• Последовательность аминокислот задаёт первичную структуру белка.
• Пространственная структура связана со свойствами и функциями белка.
• Денатурацию могут вызвать нагревание и изменение кислотности среды.
• Денатурация обычно нарушает пространственную структуру, но не расщепляет белок полностью на аминокислоты.