Need on kõrgmolekulaarsed orgaanilised ühendid, biopolümeerid, mis on ehitatud 20 tüüpi L-β-aminohappejääkidest, mis on ühendatud teatud järjestuses pikkadeks ahelateks. Valkude molekulmass varieerub 5 tuhandest 1 miljonini. Nimetus “valged” anti esmakordselt linnumunade ainele, mis kuumutamisel valgeks lahustumatuks massiks hüübib. Hiljem laiendati seda mõistet teistele loomadest ja taimedest eraldatud sarnaste omadustega ainetele.

Riis. 1. Kõige keerulisemad biopolümeerid on valgud. Nende makromolekulid koosnevad monomeeridest, mis on aminohapped. Igal aminohappel on kaks funktsionaalset rühma: karboksüülrühm ja aminorühm. Kogu valkude mitmekesisus tekib 20 aminohappe erinevate kombinatsioonide tulemusena.

Valgud domineerivad kõigi teiste elusorganismides leiduvate ühendite üle, moodustades tavaliselt üle poole nende kuivkaalust. Eeldatakse, et looduses on mitu miljardit üksikut valku (näiteks ainuüksi E. coli bakteris on rohkem kui 3 tuhat erinevat valku).

Valgud mängivad iga organismi eluprotsessides võtmerolli. Valkude hulka kuuluvad ensüümid, mille osalusel toimuvad rakus kõik keemilised transformatsioonid (ainevahetus); nad kontrollivad geenide tegevust; nende osalusel realiseeritakse hormoonide toime, toimub transmembraanne transport, sealhulgas närviimpulsside genereerimine. Need on immuunsüsteemi (immunoglobuliinid) ja hüübimissüsteemi lahutamatu osa, moodustavad luu- ja sidekoe aluse ning osalevad energia muundamisel ja kasutamisel.

Valguuuringute ajalugu

Esimesed katsed valke eraldada tehti juba 18. sajandil. 19. sajandi alguseks ilmusid esimesed tööd valkude keemilise uurimise kohta. Prantsuse teadlased Joseph Louis Gay-Lussac ja Louis Jacques Thénard püüdsid kindlaks teha erinevatest allikatest pärit valkude elementaarset koostist, mis tähistas süstemaatiliste analüütiliste uuringute algust, tänu millele jõuti järeldusele, et kõik valgud on selles sisalduvate elementide komplektis sarnased. nende koostis. 1836. aastal pakkus Hollandi keemik G. J. Mulder välja esimese valguliste ainete struktuuri teooria, mille kohaselt kõigil valkudel on teatud hüpoteetiline radikaal (C 40 H 62 N 10 O 12), mis on erinevates vahekordades seotud väävli- ja fosforiaatomitega. Ta nimetas seda radikaali "valguks" (kreeka keelest - esimene, peamine). Mulderi teooria aitas kaasa huvi suurenemisele valkude uurimise vastu ja valgukeemia meetodite täiustamisele. Töötati välja meetodid valkude eraldamiseks ekstraheerimise teel neutraalsete soolade lahustega ja esmakordselt saadi valgud kristallsel kujul (mõned taimsed valgud). Valkude analüüsimiseks hakati kasutama esialgset seedimist hapete ja leelistega.

Samal ajal hakati üha enam tähelepanu pöörama valkude funktsiooni uurimisele. Jens Jakob Berzelius pakkus 1835. aastal esimesena välja, et nad mängivad biokatalüsaatori rolli. Peagi avastati proteolüütilised ensüümid – pepsiin (T. Schwann, 1836) ja trüpsiin (L. Corvisart, 1856), mis äratasid tähelepanu seedimise füsioloogiale ja toitainete lagunemisel tekkivate saaduste analüüsile. Valkude struktuuri edasised uuringud ja töö peptiidide keemilise sünteesiga andsid tulemuseks peptiidi hüpoteesi, mille kohaselt kõik valgud on üles ehitatud aminohapetest. 19. sajandi lõpuks hakati uurima enamikku valke moodustavatest aminohapetest.

Saksa keemik Emil Hermann Fischer oli 20. sajandi alguses esimene, kes kasutas valkude uurimisel orgaanilise keemia meetodeid ja tõestas, et valgud koosnevad β-aminohapetest, mis on omavahel seotud amiid- (peptiid-) sidemega. Hiljem määrati tänu füüsikalis-keemiliste analüüsimeetodite kasutamisele paljude valkude molekulmass, kerakujuliste valkude sfääriline kuju, viidi läbi aminohapete ja peptiidide röntgendifraktsioonanalüüs ning kromatograafilise analüüsi meetodid. välja töötatud (vt kromatograafia).

Eraldati esimene proteiinhormoon (Frederick Grant Banting, John James Rickard McLeod, 1922), tõestati gammaglobuliinide olemasolu antikehades ja kirjeldati lihasvalgu müosiini ensümaatilist funktsiooni (Vladimir Aleksandrovich Engelhardt, M. N. Lyubimova, 1939). . Esmakordselt saadi ensüümid kristalsel kujul – ureaas (J.B. Saliner, 1926), pepsiin (J.H. Nortron, 1929), lüsosüüm (E.P. Abraham, Robert Robinson, 1937).

Riis. 2. Ensüümi lüsosüümi kolmemõõtmelise struktuuri skeem. Ringid - aminohapped; ahelad - peptiidsidemed; varjutatud ristkülikud on disulfiidsidemed. Nähtavad on polüpeptiidahela spiraalsed ja piklikud lõigud.

1950. aastatel tõestati valgu molekulide kolmetasandiline organiseeritus - primaarse, sekundaarse ja tertsiaarse struktuuri olemasolu; lõi automaatse aminohapete analüsaatori (Stanford Moore, William Howard Stein, 1950). 60ndatel üritati valke (insuliin, ribonukleaas) keemiliselt sünteesida. Röntgendifraktsioonianalüüsi meetodeid on oluliselt täiustatud; loodi seade - sekvenser (P. Edman, G. Begg, 1967), mis võimaldas määrata aminohapete järjestust polüpeptiidahelas. Selle tagajärjeks oli mitmesaja valgu struktuuri loomine erinevatest allikatest. Nende hulgas on proteolüütilised ensüümid (pepsiin, trüpsiin, kümotrüpsiin, subtilisiin, karboksüpeptidaasid), müoglobiinid, hemoglobiinid, tsütokroomid, lüsosüümid, immunoglobuliinid, histoonid, neurotoksiinid, viiruse ümbrise valgud, valk-peptiidhormoonid. Selle tulemusena tekkisid eeldused pakiliste probleemide lahendamiseks ensümoloogias, immunoloogias, endokrinoloogias ja teistes bioloogilise keemia valdkondades.

20. sajandi lõpul saavutati märkimisväärseid edusamme valkude rolli uurimisel biopolümeeride maatrikssünteesis, nende toimemehhanismide mõistmisel organismide erinevates eluprotsessides ning seose tuvastamisel nende struktuuri ja talitluse vahel. Suur tähtsus oli uurimismeetodite täiustamisel ning uute meetodite esilekerkimisel valkude ja peptiidide eraldamiseks.

Nukleiinhapete nukleotiidide järjestuse analüüsi efektiivse meetodi väljatöötamine on võimaldanud oluliselt lihtsustada ja kiirendada aminohappejärjestuse määramist valkudes. See osutus võimalikuks, kuna aminohapete järjestuse valgus määrab nukleotiidide järjestus seda valku (fragmenti) kodeerivas geenis. Järelikult, teades nukleotiidide paigutust selles geenis ja geneetilist koodi, saab täpselt ennustada, millises järjekorras aminohapped valgu polüpeptiidahelas paiknevad. Koos valkude struktuurianalüüsi edusammudega on saavutatud olulisi tulemusi nende ruumilise korralduse, supramolekulaarsete komplekside, sealhulgas ribosoomide ja teiste rakuliste organellide, kromatiini, viiruste jne moodustumise ja toimemehhanismide uurimisel.

Valgu struktuur

Peaaegu kõik valgud koosnevad 20 L-seeria kuuluvast α-aminohappest ja on peaaegu kõigis organismides ühesugused. Valkudes olevad aminohapped on omavahel ühendatud peptiidsidemega -CO-NH-, mille moodustavad naaberaminohappejääkide karboksüül- ja -aminorühm: kaks aminohapet moodustavad dipeptiidi, milles terminaalne karboksüülrühm (-COOH) ja aminorühm (H 2 N-) jäävad vabaks, millele saab polüpeptiidahela moodustamiseks lisada uusi aminohappeid.

Keti lõiku, millel asub terminali H 2 N-rühm, nimetatakse N-terminaalseks ja selle vastas olevat osa C-terminaliks. Valkude tohutu mitmekesisuse määrab paigutuse järjestus ja neis sisalduvate aminohappejääkide arv. Kuigi selget vahet pole, nimetatakse lühikesi ahelaid tavaliselt peptiidideks või oligopeptiidideks (alates oligo...) ja polüpeptiidide (valkude) all mõistetakse tavaliselt 50 või enamast ahelast koosnevaid ahelaid. Levinumad on 100–400 aminohappejääki sisaldavad valgud, kuid on ka selliseid, mille molekulid moodustavad 1000 või enama jääki. Valgud võivad koosneda mitmest polüpeptiidahelast. Sellistes valkudes nimetatakse iga polüpeptiidahelat subühikuks.

Valkude ruumiline struktuur

Riis. 3. Valk kõigis organismides koosneb 20 tüüpi aminohapetest. Iga valku iseloomustab teatud sortiment ja aminohapete kvantitatiivne suhe. Valgu molekulides on aminohapped üksteisega ühendatud peptiidsidemetega (- CO - NH -) lineaarses järjestuses, moodustades valgu nn primaarstruktuuri. Ülemine rida - vabad aminohapped kõrvalrühmadega R1, R2, R3; alumine rida – aminohapped on omavahel ühendatud peptiidsidemetega.

Polüpeptiidahel on võimeline spontaanselt moodustama ja säilitama erilise ruumilise struktuuri. Valgumolekulide kuju alusel jagunevad valgud fibrillaarseteks ja kerakujulisteks. Globulaarsetes valkudes volditakse üks või mitu polüpeptiidahelat kompaktseks sfääriliseks struktuuriks ehk gloobuliks. Tavaliselt on need valgud vees hästi lahustuvad. Nende hulka kuuluvad peaaegu kõik ensüümid, vere transpordivalgud ja paljud säilitusvalgud. Fibrillaarsed valgud on niidilaadsed molekulid, mida hoiavad koos ristsidemed ja mis moodustavad pikki kiude või kihilisi struktuure. Neil on kõrge mehaaniline tugevus, nad ei lahustu vees ja täidavad peamiselt konstruktsiooni- ja kaitsefunktsioone. Selliste valkude tüüpilised esindajad on juuste ja villa keratiin, siidifibroiin ja kõõluste kollageen.

Kovalentselt seotud aminohapete järjestust polüpeptiidahelas nimetatakse aminohappejärjestuseks ehk valkude primaarseks struktuuriks. Iga valgu esmane struktuur, mida kodeerib vastav geen, on konstantne ja kannab endas kogu kõrgema taseme struktuuride moodustamiseks vajalikku informatsiooni. 20 aminohappest moodustuvate valkude potentsiaalne arv on praktiliselt piiramatu.

Aminohappejääkide külgrühmade interaktsiooni tulemusena omandavad üksikud suhteliselt väikesed polüpeptiidahela lõigud ühe või teise konformatsiooni (voltimise tüübi), mida tuntakse valkude sekundaarstruktuurina. Selle kõige iseloomulikumad elemendid on perioodiliselt korduv α-heeliks ja β-struktuur. Sekundaarne struktuur on väga stabiilne. Kuna see on suures osas määratud vastava valgupiirkonna aminohappejärjestuse järgi, on võimalik seda teatud tõenäosusega ennustada. Mõiste "a-heeliks" võttis kasutusele Ameerika biokeemik, füüsik ja keemik Linus Carl Pauling, kes kirjeldas polüpeptiidahela paigutust valgu y-keratiinis paremakäelise heeliksi kujul (a-heeliksi purk). võrrelda telefonijuhtmega). Sellise heeliksi iga pöörde kohta valguses on 3,6 aminohappejääki. See tähendab, et ühe peptiidsideme -C=O rühm moodustab vesiniksideme teise peptiidsideme -NH rühmaga, esimesest nelja aminohappejäägi kaugusel. Keskmiselt sisaldab iga α-spiraalne piirkond kuni 15 aminohapet, mis vastab spiraali 3-4 pöördele. Kuid iga üksiku valgu puhul võib spiraali pikkus sellest väärtusest oluliselt erineda. Ristlõikes on α-heeliksil ketta kuju, millest aminohapete külgahelad on suunatud väljapoole.

Struktuur või? volditud kiht, võib moodustada mitmest polüpeptiidahela lõigust. Need sektsioonid on venitatud ja asetatud üksteisega paralleelselt, ühendatud üksteisega peptiidsidemete vahel esinevate vesiniksidemetega. Need võivad olla orienteeritud samas või vastassuunas (liikumissuunaks piki polüpeptiidahelat peetakse tavaliselt N-otsast C-otsa). Esimesel juhul nimetatakse volditud kihti paralleelseks, teisel - antiparalleelseks. Viimane tekib siis, kui peptiidahel teeb järsu tagasipöörde, moodustades painde (a-pain). Kas aminohapete külgahelad on orienteeritud tasapinnaga risti? - kiht.

Suhteline sisu? -spiraallõigud ja? -struktuurid võivad erinevate valkude vahel väga erineda. Seal on valke, milles on ülekaalus α-heeliksid (umbes 75% aminohapetest müoglobiinis ja hemoglobiinis), ja paljude fibrillaarsete valkude (sh siidfibroiin, β-keratiin) peamine ahela voltimise tüüp on α-heeliks. - struktuur. Polüpeptiidahela piirkondi, mida ei saa liigitada ühegi ülalkirjeldatud konformatsiooni alla, nimetatakse ühendussilmusteks. Nende struktuuri määrab peamiselt aminohapete külgahelate vastastikmõju ja mis tahes valgu molekuli sobib see rangelt määratletud viisil.

Tertsiaarset struktuuri nimetatakse globulaarsete valkude ruumiline struktuur. Kuid sageli viitab see mõiste polüpeptiidahela ruumis voltimise meetodile, mis on iseloomulik igale konkreetsele valgule. Tertsiaarne struktuur moodustub valgu polüpeptiidahelast spontaanselt, ilmselt teatud hüübimisrada(de) mööda koos sekundaarse struktuuri elementide eelneva moodustumisega. Kui sekundaarstruktuuri stabiilsus on tingitud vesiniksidemetest, siis on tertsiaarstruktuur fikseeritud mitmekesise mittekovalentsete interaktsioonide süsteemiga: vesinik, ioonsed, molekulidevahelised interaktsioonid, aga ka hüdrofoobsed kontaktid mittepolaarsete aminorühmade külgahelate vahel. happejäägid.

Mõnedes valkudes stabiliseerub tertsiaarne struktuur veelgi disulfiidsidemete (-S-S-sideme) moodustumisega tsüsteiinijääkide vahel. Reeglina on valgugloobuli sees hüdrofoobsete aminohapete külgahelad, mis on monteeritud südamikusse (nende ülekanne valgugloobuli sees on termodünaamiliselt soodne), perifeerias aga hüdrofiilsed ja mõned hüdrofoobsed jäägid. Valguglobulit ümbritseb mitusada molekuli hüdratatsioonivett, mis on vajalik valgumolekuli stabiilsuseks ja osaleb sageli selle toimimises. Tertsiaarne struktuur on liikuv, selle üksikud lõigud võivad nihkuda, mis viib konformatsiooniliste üleminekuteni, mis mängivad olulist rolli valgu interaktsioonis teiste molekulidega.

Tertsiaarne struktuur on valgu funktsionaalsete omaduste alus. See määrab valgu funktsionaalrühmade ansamblite moodustumise - aktiivsed keskused ja sidumistsoonid, annab neile vajaliku geomeetria, võimaldab luua sisekeskkonna, mis on paljude reaktsioonide toimumise eelduseks ning tagab koostoime teiste valkudega. .

Valkude tertsiaarne struktuur vastab selgelt selle esmasele struktuurile; tõenäoliselt on olemas veel dešifreerimata stereokeemiline kood, mis määrab valgu voltimise olemuse. Kuid üks ja sama ruumilise paigutuse meetod ei vasta tavaliselt mitte ühele primaarsele struktuurile, vaid tervele struktuuride perekonnale, milles võib kokku langeda vaid väike osa (kuni 20-30%) aminohappejääke, kuid teatud osades. asetab ahelasse aminohappejääkide sarnasus. Tulemuseks on suurte valkude perekondade moodustumine, mida iseloomustab sarnane tertsiaarne ja enam-vähem sarnane primaarne struktuur ning reeglina ühine funktsioon. Need on näiteks erinevate liikide organismide valgud, millel on sama funktsioon ja mis on evolutsiooniliselt seotud: müoglobiinid ja hemoglobiinid, trüpsiin, kümotrüpsiin, elastaas ja muud loomsed proteinaasid.

Riis. 4. Mitme tertsiaarse struktuuriga valgu makromolekuli kombineerimise tulemusena moodustub kvaternaarne valgu struktuur kompleksseks kompleksiks. Selliste komplekssete valkude näide on hemoglobiin, mis koosneb neljast makromolekulist.

Sageli, eriti suurtes valkudes, toimub polüpeptiidahela voltimine läbi ahela üksikute osade moodustumise ruumilise struktuuri enam-vähem autonoomsete elementide - domeenide, millel võib olla funktsionaalne autonoomia, mis vastutavad ühe või teise keha bioloogilise aktiivsuse eest. valk. Seega tagavad vere hüübimisvalkude N-terminaalsed domeenid nende kinnitumise rakumembraanile.

On palju valke, mille molekulid on gloobulite (subühikute) ansambel, mida hoiavad koos hüdrofoobsed interaktsioonid, vesinik- või ioonsidemed. Selliseid komplekse nimetatakse oligomeerseteks, multimeerseteks või subühikulisteks valkudeks. Subühikute paiknemist funktsionaalselt aktiivses valgukompleksis nimetatakse valgu kvaternaarseks struktuuriks. Mõned valgud on võimelised moodustama kõrgemat järku struktuure, näiteks multiensüümide komplekse, laiendatud struktuure (bakteriofaagi kattevalgud), supramolekulaarseid komplekse, mis toimivad ühtse tervikuna (näiteks ribosoomid või mitokondriaalse hingamisahela komponendid).

Kvaternaarne struktuur võimaldab luua ebatavalise geomeetriaga molekule. Seega on ferritiinil, mis koosneb 24 subühikust, sisemine õõnsus, tänu millele õnnestub valk siduda kuni 3000 raua iooni. Lisaks võimaldab kvaternaarne struktuur ühes molekulis täita mitmeid erinevaid funktsioone. Trüptofaani süntetaas ühendab ensüüme, mis vastutavad aminohappe trüptofaani sünteesi mitme järjestikuse etapi eest.

Valkude struktuuri uurimise meetodid

Valkude esmane struktuur määrab kõik muud valgumolekuli organiseerituse tasemed. Seetõttu on erinevate valkude bioloogilise funktsiooni uurimisel olulised teadmised selle struktuuri kohta. Esimene valk, mille aminohappejärjestus määrati, oli pankrease hormoon insuliin. Selle töö, mis võttis aega 11 aastat, viis läbi inglise biokeemik Frederick Sanger (1954). Ta tegi kindlaks 51 aminohappe asukoha hormooni molekulis ja näitas, et see koosneb 2 ahelast, mis on omavahel ühendatud disulfiidsidemetega. Hiljem automatiseeriti suurem osa valkude primaarstruktuuri loomise tööst.

Geenitehnoloogia meetodite väljatöötamisega sai võimalikuks seda protsessi veelgi kiirendada, määrates valkude primaarstruktuuri vastavalt neid valke kodeerivate geenide nukleotiidjärjestuse analüüsi tulemustele. Valkude sekundaarset ja tertsiaarset struktuuri uuritakse üsna keerukate füüsikaliste meetoditega, näiteks ringdikroismi või valgukristallide röntgendifraktsioonanalüüsi abil. Tertsiaarse struktuuri kehtestas esmakordselt inglise biokeemik John Cowdery Kendrew (1957) lihasvalgu müoglobiini jaoks.

Riis. 5. Müoglobiini molekuli mudel (molekuli ruumiline konfiguratsioon)

Valkude denatureerimine

Suhteliselt nõrgad sidemed, mis vastutavad valgu sekundaarse, tertsiaarse ja kvaternaarse struktuuri stabiliseerimise eest, hävivad kergesti, millega kaasneb selle bioloogilise aktiivsuse kadu. Valgu algse (natiivse) struktuuri hävimine, mida nimetatakse denaturatsiooniks, toimub hapete ja aluste juuresolekul koos kuumutamise, ioontugevuse muutumise ja muude mõjudega. Reeglina on denatureeritud valgud vees halvasti või üldse mitte lahustuvad. Lühiajalise toime ja denatureerivate tegurite kiire elimineerimisega on võimalik valkude renatureerimine algse struktuuri ja bioloogiliste omaduste täieliku või osalise taastamisega.

Valkude klassifikatsioon

Valgumolekulide ehituse keerukus ja nende poolt täidetavate funktsioonide äärmuslik mitmekesisus muudavad nende ühtse ja selge klassifikatsiooni loomise keeruliseks, kuigi katseid seda teha on tehtud korduvalt alates 19. sajandi lõpust. Valgud jagunevad keemilise koostise järgi lihtsateks ja kompleksseteks (mõnikord nimetatakse neid proteiidideks). Esimeste molekulid koosnevad ainult aminohapetest. Lisaks polüpeptiidahelale endale sisaldavad kompleksvalgud mittevalgulisi komponente, mida esindavad süsivesikud (glükoproteiinid), lipiidid (lipoproteiinid), nukleiinhapped (nukleoproteiinid), metalliioonid (metalloproteiinid), fosfaatrühm (fosfoproteiinid), pigmendid (kromoproteiinid), jne. .

Sõltuvalt nende funktsioonidest eristatakse mitut valkude klassi. Kõige mitmekesisem ja spetsialiseerunud klass koosneb katalüütilise funktsiooniga valkudest - ensüümidest, millel on võime kiirendada elusorganismides toimuvaid keemilisi reaktsioone. Selles võimes osalevad valgud kõigis ainevahetuse käigus erinevate ühendite sünteesi ja lagunemise protsessides, valkude ja nukleiinhapete biosünteesis, rakkude arengu ja diferentseerumise reguleerimises. Transpordivalkudel on võime selektiivselt siduda rasvhappeid, hormoone ja muid orgaanilisi ja anorgaanilisi ühendeid ja ioone ning seejärel transportida need vooluga soovitud kohta (näiteks hemoglobiin osaleb hapniku ülekandes kopsudest kõikidesse rakkudesse). keha). Transpordivalgud teostavad ka ioonide, lipiidide, suhkrute ja aminohapete aktiivset transporti läbi bioloogiliste membraanide.

Struktuurvalgud täidavad toetavat või kaitsvat funktsiooni; nad osalevad rakuskeleti moodustamises. Kõige levinumad neist on sidekoe kollageen, keratiin, küüned ja suled, veresoonte rakkude elastiin ja paljud teised. Koos lipiididega on need raku- ja rakusiseste membraanide struktuurne alus.

Paljud valgud täidavad kaitsefunktsiooni. Näiteks selgroogsete immunoglobuliinid (antikehad), millel on võime siduda võõraid patogeenseid mikroorganisme ja aineid, neutraliseerida nende patogeensed mõjud kehale ja takistada rakkude proliferatsiooni. Fibrinogeen ja trombiin osalevad vere hüübimisprotsessis. Paljud bakterite eritatavad valkained, aga ka mõnede selgrootute komponendid on klassifitseeritud toksiinideks.

Mõned valgud (regulatiivsed) osalevad keha kui terviku, üksikute organite, rakkude või protsesside füsioloogilise aktiivsuse reguleerimises. Nad kontrollivad geenide transkriptsiooni ja valkude sünteesi; nende hulka kuuluvad endokriinsete näärmete poolt sekreteeritud peptiidvalgu hormoonid. Seemnete säilitusvalgud pakuvad toitaineid embrüo arengu algfaasis. Nende hulka kuuluvad ka kaseiin, munavalgealbumiin (ovalbumiin) ja paljud teised. Tänu valkudele omandavad lihasrakud kokkutõmbumisvõime ja annavad lõpuks kehale liikumist. Selliste kontraktiilsete valkude näideteks on skeletilihaste aktiin ja müosiin, samuti tubuliin, mis on ainuraksete organismide ripsmete ja lipukeste komponendid; Samuti tagavad need kromosoomide lahknemise rakkude jagunemise ajal.

Retseptorvalgud on hormoonide ja teiste bioloogiliselt aktiivsete ühendite sihtmärk. Nende abiga tajub rakk teavet väliskeskkonna seisundi kohta. Nad mängivad olulist rolli närvilise ergastuse edastamisel ja rakkude orienteeritud liikumisel (kemotaksis). Kehasse siseneva energia, aga ka energia muundamine ja kasutamine toimub ka bioenergiasüsteemi valkude (näiteks visuaalse pigmendi rodopsiin, hingamisahela tsütokroomide) osalusel. Samuti on palju valke, millel on muud, mõnikord üsna ebatavalised funktsioonid (näiteks mõne Antarktika kala plasmas on valke, millel on külmumisvastased omadused).

Valkude biosüntees

Kogu teave konkreetse valgu struktuuri kohta on "salvestatud" vastavatesse geenidesse nukleotiidide järjestuse kujul ja seda rakendatakse matriitsi sünteesi protsessis. Esiteks kantakse (loetakse) teave DNA molekulist üle (loetakse) ensüümi DNA-sõltuva RNA polümeraasi abil messenger RNA-sse (mRNA) ja seejärel mRNA ribosoomi, nagu maatriksil vastavalt geneetilisele koodile, osalusel. aminohappeid tarnivate transpordi-RNA-de moodustumine toimub polüpeptiidahelas.

Ribosoomist väljuvad sünteesitud polüpeptiidahelad, mis spontaanselt kokku voltivad, omandavad valgule iseloomuliku konformatsiooni ja võivad olla allutatud translatsioonijärgsele modifikatsioonile. Üksikute aminohapete külgahelad võivad läbida modifikatsioone (hüdroksüülimine, fosforüülimine jne). Seetõttu leidub kollageenis näiteks hüdroksüproliini ja hüdroksülüsiini (vt.). Modifikatsiooniga võib kaasneda ka polüpeptiidsidemete katkemine. Nii moodustub näiteks aktiivne insuliinimolekul, mis koosneb kahest disulfiidsidemetega ühendatud ahelast.

Riis. 6. Valkude biosünteesi üldskeem.

Valkude tähtsus toitumises

Valgud on loomade ja inimeste toidu kõige olulisemad komponendid. Valkude toiteväärtuse määrab nende asendamatute aminohapete sisaldus, mida organism ise ei tooda. Sellega seoses on taimsed valgud vähem väärtuslikud kui loomsed: neis on lüsiini-, metioniini- ja trüptofaanivaesem ning seedekulglas on neid raskem seedida. Asendamatute aminohapete puudumine toidus põhjustab lämmastiku metabolismi tõsiseid häireid.

Valgud lagundatakse vabadeks aminohapeteks, mis pärast soolestikku imendumist sisenevad ja jaotuvad kõikidesse rakkudesse. Osa neist laguneb energia vabanemisega lihtsateks ühenditeks, mida rakk kasutab erinevateks vajadusteks, osa aga läheb antud organismile iseloomulike uute valkude sünteesiks. (R. A. Matveeva, Entsüklopeedia Cyril ja Methodius)

Valkude loendamine

amüloid - amüloid;
anioonne - anioonne;
viirusetõrje - viirusevastane;
autoimmuunne - autoimmuunne;
autoloogne - autoloogiline;
bakteriaalne - bakteriaalne;
Bence Jonesi valk;
viirusest põhjustatud - viirusest põhjustatud;
viiruslik - viirus;
viral nonstructural - virus nonstructural;
viiruslik struktuurne - viiruse struktuurne;
viirusspetsiifiline - viirusspetsiifiline;
kõrge molekulmass - kõrge molekulmass;
heemi sisaldav - heem;
heteroloogne - võõras;
hübriid - hübriid;
glükosüülitud – glükeeritud;
kerajas - kerajas;
denatureeritud - denatureeritud;
rauda sisaldav - raud;
munakollane - munakollane;
loomne valk - loomne valk;
kaitsev – kaitsev;
immuunne - immuunne;
immunogeenne - immunoloogiliselt oluline;
kaltsiumi sidumine;
hapu - happeline;
korpuskulaarne - korpuskulaarne;
membraan - membraan;
müeloom - müeloom;
mikrosomaalne - mikrosomaalne;
piimavalk - piimavalk;
monoklonaalne - monoklonaalne immunoglobuliin;
lihasvalk – lihasvalk;
emakeel - emakeel;
nonhistoon - mittehistoon;
defektne - osaline;
lahustumatu - lahustumatu;
seedimatu - lahustumatu;
mitteensümaatiline - mitteensüüm;
madal molekulmass - madal molekulmass;
uus valk – uus valk;
üldine - tervik;
onkogeenne - onkoproteiin;
põhifaasi valk - anioonne;
ägeda faasi valk (põletik) - ägeda faasi valk;
toit - toit;
vereplasma valk - plasmavalk;
platsenta - platsenta;
lahtihaakimine – lahtihaakimine;
regenereeriva närvi valk;
regulatiivne - reguleeriv;
rekombinatsioon - rekombinantne;
retseptor – retseptor;
ribosomaalne - ribosomaalne;
sidumine - sidumine;
sekretoorvalk - sekretoorne valk;
C-reaktiivne - C-reaktiivne;
vadakuvalk - vadakuvalk, laktoproteiin;
koe - kude;
mürgine - mürgine;
kimäärne - kimäärne;
terve - terve;
tsütosoolne - tsütosoolne;
aluseline valk - anioonne valk;
eksogeenne - eksogeenne;
endogeenne - endogeenne valk.

Lisateavet valkude kohta leiate kirjandusest:

Volkenshtein M.V., Molecules and, M., 1965, ptk. 3-5;
Gaurowitz F., Valkude keemia ja funktsioonid, trans. inglise keelest, Moskva, 1965;
Sissakyan N. M. ja Gladilin K. L., Valgusünteesi biokeemilised aspektid, raamatus: Advances in biological chemistry, 7. kd, M., 1965, lk. 3;
Stepanov V. M. Molekulaarbioloogia. Valkude ehitus ja talitlus. M., 1996;
Shamin A. N., Development of protein chemistry, M., 1966;
Valgud ja peptiidid. M., 1995-2000. T. 1-3;
Valkude ja nukleiinhapete biosüntees, toim. A. S. Spirina, M., 1965;
Sissejuhatus molekulaarbioloogiasse, trans. inglise keelest, M., 1967
Molekulid ja rakud. [laup. Art.], tlk. inglise keelest, M., 1966, lk. 7-27, 94-106;
Biokeemia alused: tõlge inglise keelest M., 1981. T. 1;
Valgu probleem. M., 1995. T. 1-5;
Valgud. New York, 1975-79. 3 ed. V. 1-4.

Otsige midagi muud huvitavat:

Oravad- suure molekulmassiga orgaanilised ühendid, mis koosnevad α-aminohappe jääkidest.

IN valgu koostis hõlmab süsinikku, vesinikku, lämmastikku, hapnikku, väävlit. Mõned valgud moodustavad komplekse teiste fosforit, rauda, tsinki ja vaske sisaldavate molekulidega.

Valkudel on suur molekulmass: munaalbumiin - 36 000, hemoglobiin - 152 000, müosiin - 500 000. Võrdluseks: alkoholi molekulmass on 46, äädikhappe - 60, benseeni - 78.

Valkude aminohappeline koostis

Oravad- mitteperioodilised polümeerid, mille monomeerid on α-aminohapped. Tavaliselt nimetatakse valgu monomeerideks 20 tüüpi α-aminohappeid, kuigi üle 170 neist leidub rakkudes ja kudedes.

Sõltuvalt sellest, kas aminohappeid saab inimeste ja teiste loomade kehas sünteesida, eristatakse neid: mitteasendatavad aminohapped- saab sünteesida; asendamatud aminohapped- ei saa sünteesida. Asendamatud aminohapped tuleb organismi varustada toiduga. Taimed sünteesivad igat tüüpi aminohappeid.

Sõltuvalt aminohapete koostisest, valgud on: täielikud- sisaldab kogu aminohapete komplekti; defektne- nende koostises puuduvad mõned aminohapped. Kui valgud koosnevad ainult aminohapetest, nimetatakse neid lihtne. Kui valgud sisaldavad lisaks aminohapetele ka mitteaminohappelist komponenti (proteesirühma), nimetatakse neid nn. keeruline. Proteesirühma võivad esindada metallid (metalloproteiinid), süsivesikud (glükoproteiinid), lipiidid (lipoproteiinid), nukleiinhapped (nukleoproteiinid).

Kõik aminohapped sisaldavad: 1) karboksüülrühm (-COOH), 2) aminorühm (-NH2), 3) radikaal või R-rühm (ülejäänud molekul). Radikaali struktuur on erinevat tüüpi aminohapete puhul erinev. Sõltuvalt aminohapete koostises sisalduvate aminorühmade ja karboksüülrühmade arvust eristatakse neid: neutraalsed aminohapped millel on üks karboksüülrühm ja üks aminorühm; aluselised aminohapped millel on rohkem kui üks aminorühm; happelised aminohapped millel on rohkem kui üks karboksüülrühm.

Aminohapped on amfoteersed ühendid, kuna lahuses võivad nad toimida nii hapete kui alustena. Vesilahustes esinevad aminohapped erinevates ioonsetes vormides.

Peptiidside

Peptiidid- orgaanilised ained, mis koosnevad peptiidsidemetega ühendatud aminohappejääkidest.

Peptiidide moodustumine toimub aminohapete kondensatsioonireaktsiooni tulemusena. Kui ühe aminohappe aminorühm interakteerub teise aminohappe karboksüülrühmaga, tekib nende vahel kovalentne lämmastik-süsinik side, mida nimetatakse nn. peptiid. Sõltuvalt peptiidis sisalduvate aminohappejääkide arvust on olemas dipeptiidid, tripeptiidid, tetrapeptiidid jne. Peptiidsideme moodustumist võib korrata mitu korda. See viib moodustumiseni polüpeptiidid. Peptiidi ühes otsas on vaba aminorühm (nn N-ots) ja teises on vaba karboksüülrühm (nn C-ots).

Valgumolekulide ruumiline korraldus

Teatud spetsiifiliste funktsioonide täitmine valkude poolt sõltub nende molekulide ruumilisest konfiguratsioonist, lisaks on rakule energeetiliselt ebasoodne hoida valke voldimata kujul, ahela kujul, mistõttu polüpeptiidahelad läbivad voltimise, omandades teatud kolmemõõtmeline struktuur või konformatsioon. Seal on 4 taset valkude ruumiline korraldus.

Valgu esmane struktuur- aminohappejääkide paigutuse järjestus valgu molekuli moodustavas polüpeptiidahelas. Aminohapete vaheline side on peptiidside.

Kui valgumolekul koosneb vaid 10 aminohappejäägist, siis teoreetiliselt võimalike aminohapete vaheldumise järjekorra poolest erinevate valgumolekulide variantide arv on 10 20. Omades 20 aminohapet, saate neist teha veelgi mitmekesisemaid kombinatsioone. Inimese organismist on leitud umbes kümme tuhat erinevat valku, mis erinevad nii üksteisest kui ka teiste organismide valkudest.

See on valgumolekuli esmane struktuur, mis määrab valgumolekulide omadused ja selle ruumilise konfiguratsiooni. Ainuüksi ühe aminohappe asendamine teisega polüpeptiidahelas viib valgu omaduste ja funktsioonide muutumiseni. Näiteks kuuenda glutamiinaminohappe asendamine valiiniga hemoglobiini β-subühikus toob kaasa asjaolu, et hemoglobiini molekul tervikuna ei suuda täita oma põhifunktsiooni - hapniku transporti; Sellistel juhtudel tekib inimesel haigus, mida nimetatakse sirprakuliseks aneemiaks.

Sekundaarne struktuur- polüpeptiidahela järjestatud voltimine spiraaliks (näeb välja nagu pikendatud vedru). Heeliksi pöördeid tugevdavad vesiniksidemed, mis tekivad karboksüülrühmade ja aminorühmade vahel. Peaaegu kõik CO ja NH rühmad osalevad vesiniksidemete moodustamises. Need on nõrgemad kui peptiidsed, kuid palju kordi korrates annavad sellele konfiguratsioonile stabiilsuse ja jäikuse. Sekundaarse struktuuri tasemel on valgud: fibroiin (siid, ämblikuvõrk), keratiin (juuksed, küüned), kollageen (kõõlused).

Tertsiaarne struktuur- polüpeptiidahelate pakkimine gloobulitesse, mis tulenevad keemiliste sidemete (vesinik-, ioon-, disulfiid) moodustumisest ja hüdrofoobsete interaktsioonide loomisest aminohappejääkide radikaalide vahel. Peamist rolli tertsiaarse struktuuri moodustamisel mängivad hüdrofiilsed-hüdrofoobsed interaktsioonid. Vesilahustes kipuvad hüdrofoobsed radikaalid vee eest peitu pugema, koondudes gloobuli sisse, hüdrofiilsed radikaalid aga hüdratatsiooni (koostoime vee dipoolidega) tulemusena molekuli pinnale. Mõnedes valkudes stabiliseerivad tertsiaarset struktuuri kahe tsüsteiinijäägi väävliaatomite vahel moodustunud kovalentsed disulfiidsidemed. Tertsiaarse struktuuri tasemel on ensüümid, antikehad ja mõned hormoonid.

Kvaternaarne struktuur iseloomulik kompleksvalkudele, mille molekulid on moodustatud kahest või enamast gloobulist. Subühikuid hoiavad molekulis ioonsed, hüdrofoobsed ja elektrostaatilised interaktsioonid. Mõnikord tekivad kvaternaarse struktuuri moodustumisel subühikute vahel disulfiidsidemed. Enim uuritud kvaternaarse struktuuriga valk on hemoglobiini. See moodustub kahest α-subühikust (141 aminohappejääki) ja kahest β-subühikust (146 aminohappejääki). Iga alaühikuga on seotud rauda sisaldav heemimolekul.

Kui valkude ruumiline konformatsioon mingil põhjusel normaalsest hälbib, ei saa valk oma funktsioone täita. Näiteks "hullu lehma tõve" (spongiformse entsefalopaatia) põhjuseks on prioonide, närvirakkude pinnavalkude, ebanormaalne konformatsioon.

Valkude omadused

Valgumolekuli aminohappeline koostis ja struktuur määrab selle omadused. Valgud ühendavad aluselised ja happelised omadused, mille määravad aminohapperadikaalid: mida rohkem happelisi aminohappeid on valgus, seda rohkem väljenduvad selle happelised omadused. Määratakse annetamise ja H + lisamise võime valkude puhverdavad omadused; Üks võimsamaid puhvreid on punastes verelibledes sisalduv hemoglobiin, mis hoiab vere pH konstantsel tasemel. On lahustuvad valgud (fibrinogeen) ja on lahustumatud valgud, mis täidavad mehaanilisi funktsioone (fibroiin, keratiin, kollageen). On valke, mis on keemiliselt aktiivsed (ensüümid), on keemiliselt inaktiivseid valke, mis on vastupidavad erinevatele keskkonnatingimustele ja need, mis on äärmiselt ebastabiilsed.

Välised tegurid (kuumus, ultraviolettkiirgus, raskmetallid ja nende soolad, pH muutused, kiirgus, dehüdratsioon)

võib põhjustada häireid valgumolekuli struktuuris. Antud valgu molekulile omase kolmemõõtmelise konformatsiooni kadumise protsessi nimetatakse denatureerimine. Denaturatsiooni põhjuseks on teatud valgu struktuuri stabiliseerivate sidemete katkemine. Esialgu katkevad nõrgemad sidemed ja tingimuste karmistudes katkevad veelgi tugevamad. Seetõttu kaovad esmalt kvaternaar, seejärel tertsiaar- ja sekundaarstruktuurid. Ruumilise konfiguratsiooni muutus toob kaasa valgu omaduste muutumise ja selle tulemusena muudab valgu võimatuks oma loomulike bioloogiliste funktsioonide täitmise. Kui denaturatsiooniga ei kaasne primaarstruktuuri hävimine, võib see nii olla pööratav, sel juhul toimub valgule iseloomuliku konformatsiooni isetaastumine. Näiteks membraani retseptori valgud läbivad sellise denaturatsiooni. Valgu struktuuri taastamise protsessi pärast denatureerimist nimetatakse renaturatsioon. Kui valgu ruumilise konfiguratsiooni taastamine on võimatu, nimetatakse denaturatsiooni pöördumatu.

Valkude funktsioonid

Funktsioon	Näited ja selgitused
Ehitus	Valgud osalevad rakuliste ja rakuväliste struktuuride moodustamises: need on osa rakumembraanidest (lipoproteiinid, glükoproteiinid), juustest (keratiin), kõõlustest (kollageen) jne.
Transport	Verevalk hemoglobiin seob hapnikku ja transpordib selle kopsudest kõikidesse kudedesse ja organitesse ning viib sealt edasi süsihappegaasi kopsudesse; Rakumembraanide koostis sisaldab spetsiaalseid valke, mis tagavad teatud ainete ja ioonide aktiivse ja rangelt selektiivse ülekande rakust väliskeskkonda ja tagasi.
Reguleerivad	Valguhormoonid osalevad ainevahetusprotsesside reguleerimises. Näiteks hormoon insuliin reguleerib vere glükoosisisaldust, soodustab glükogeeni sünteesi ja suurendab rasvade moodustumist süsivesikutest.
Kaitsev	Vastuseks võõrvalkude või mikroorganismide (antigeenide) tungimisele organismi moodustuvad spetsiaalsed valgud – antikehad, mis suudavad neid siduda ja neutraliseerida. Fibrinogeenist moodustunud fibriin aitab peatada verejooksu.
Mootor	Kokkutõmbuvad valgud aktiin ja müosiin tagavad mitmerakuliste loomade lihaste kontraktsiooni.
Signaal	Raku pinnamembraani sisse on ehitatud valgumolekulid, mis on võimelised keskkonnateguritele reageerides muutma oma tertsiaarset struktuuri, saades seeläbi väliskeskkonnast signaale ja edastades rakule käsklusi.
Säilitamine	Loomade kehas valke reeglina ei säilitata, välja arvatud munaalbumiin ja piimakaseiin. Kuid tänu valkudele saab osa aineid organismis talletada, näiteks hemoglobiini lagunemisel rauda kehast ei eemaldata, vaid see talletub, moodustades valgu ferritiiniga kompleksi.
Energia	Kui 1 g valku laguneb lõpptoodeteks, vabaneb 17,6 kJ. Esiteks lagunevad valgud aminohapeteks ja seejärel lõpptoodeteks - veeks, süsinikdioksiidiks ja ammoniaagiks. Valke kasutatakse aga energiaallikana alles siis, kui muud allikad (süsivesikud ja rasvad) on ära kasutatud.
Katalüütiline	Valkude üks tähtsamaid funktsioone. Toetavad valgud - ensüümid, mis kiirendavad rakkudes toimuvaid biokeemilisi reaktsioone. Näiteks ribuloosbifosfaatkarboksülaas katalüüsib CO 2 fikseerimist fotosünteesi käigus.

Ensüümid

Ensüümid, või ensüümid, on spetsiaalne valkude klass, mis on bioloogilised katalüsaatorid. Tänu ensüümidele toimuvad biokeemilised reaktsioonid tohutu kiirusega. Ensümaatiliste reaktsioonide kiirus on kümneid tuhandeid kordi (ja mõnikord miljoneid) suurem kui anorgaaniliste katalüsaatorite osalusel toimuvate reaktsioonide kiirus. Aine, millel ensüüm toimib, nimetatakse substraat.

Ensüümid on globulaarsed valgud, struktuursed omadused Ensüümid võib jagada kahte rühma: lihtsad ja keerulised. Lihtsad ensüümid on lihtvalgud, st. koosnevad ainult aminohapetest. Komplekssed ensüümid on kompleksvalgud, st. Lisaks valguosale sisaldavad need rühma mittevalgulist laadi - kofaktor. Mõned ensüümid kasutavad kofaktoritena vitamiine. Ensüümolekul sisaldab spetsiaalset osa, mida nimetatakse aktiivseks keskuseks. Aktiivne keskus- ensüümi väike osa (kolm kuni kaksteist aminohappejääki), kus substraadi või substraatide seondumine toimub ensüümi-substraadi kompleksi moodustamiseks. Reaktsiooni lõppedes laguneb ensüümi-substraadi kompleks ensüümiks ja reaktsiooniprodukti(de)ks. Mõnedel ensüümidel on (välja arvatud aktiivsed) allosteerilised keskused- alad, millele on kinnitatud ensüümi kiiruse regulaatorid ( allosteerilised ensüümid).

Ensümaatilise katalüüsi reaktsioone iseloomustavad: 1) kõrge efektiivsus, 2) range selektiivsus ja toimesuund, 3) substraadi spetsiifilisus, 4) peen ja täpne reguleerimine. Ensümaatilise katalüüsi reaktsioonide substraadi ja reaktsiooni spetsiifilisust selgitavad E. Fischeri (1890) ja D. Koshlandi (1959) hüpoteesid.

E. Fisher (klahviluku hüpotees) tegi ettepaneku, et ensüümi ja substraadi aktiivse saidi ruumilised konfiguratsioonid peavad üksteisele täpselt vastama. Substraati võrreldakse “võtmega”, ensüümi “lukuga”.

D. Koshland (käsikinda hüpotees) tegi ettepaneku, et substraadi struktuuri ja ensüümi aktiivse tsentri vaheline ruumiline vastavus luuakse ainult nende üksteisega interaktsiooni hetkel. Seda hüpoteesi nimetatakse ka indutseeritud vastavuse hüpotees.

Ensümaatiliste reaktsioonide kiirus sõltub: 1) temperatuurist, 2) ensüümi kontsentratsioonist, 3) substraadi kontsentratsioonist, 4) pH-st. Tuleb rõhutada, et kuna ensüümid on valgud, on nende aktiivsus kõrgeim füsioloogiliselt normaalsetes tingimustes.

Enamik ensüüme saab töötada ainult temperatuurivahemikus 0–40 °C. Nendes piirides suureneb reaktsioonikiirus ligikaudu 2 korda iga 10 °C temperatuuri tõusuga. Temperatuuril üle 40 °C valk denatureerub ja ensüümide aktiivsus väheneb. Külmumislähedasel temperatuuril ensüümid inaktiveeritakse.

Substraadi koguse suurenedes suureneb ensümaatilise reaktsiooni kiirus, kuni substraadi molekulide arv võrdub ensüümi molekulide arvuga. Substraadi koguse edasise suurenemisega kiirus ei suurene, kuna ensüümi aktiivsed keskused on küllastunud. Ensüümide kontsentratsiooni suurenemine suurendab katalüütilist aktiivsust, kuna ajaühikus muundub suurem arv substraadi molekule.

Iga ensüümi jaoks on optimaalne pH väärtus, mille juures see avaldab maksimaalset aktiivsust (pepsiin - 2,0, sülje amülaas - 6,8, pankrease lipaas - 9,0). Kõrgemate või madalamate pH väärtuste korral ensüümi aktiivsus väheneb. PH järskude muutustega ensüüm denatureerub.

Allosteeriliste ensüümide kiirust reguleerivad ained, mis kinnituvad allosteeriliste tsentrite külge. Kui need ained kiirendavad reaktsiooni, nimetatakse neid aktivaatorid, kui nad aeglustavad - inhibiitorid.

Ensüümide klassifikatsioon

Vastavalt nende katalüüsitavate keemiliste muundumiste tüübile jagatakse ensüümid 6 klassi:

oksireduktaasid(vesiniku, hapniku või elektroni aatomite ülekandmine ühelt ainelt teisele - dehüdrogenaas),
transferaasid(metüül-, atsüül-, fosfaat- või aminorühma ülekandmine ühelt ainelt teisele - transaminaas),
hüdrolaasid(hüdrolüüsireaktsioonid, mille käigus substraadist moodustuvad kaks toodet - amülaas, lipaas),
lüaasid(mittehüdrolüütiline lisamine substraadile või aatomirühma eemaldamine sellest, mille puhul C-C, C-N, C-O, C-S sidemed võivad katkeda - dekarboksülaas),
isomeraasid(molekulaarne ümberkorraldus - isomeraas),
ligaasid(kahe molekuli ühendus C-C, C-N, C-O, C-S sidemete moodustumise tulemusena - süntetaas).

Klassid jagunevad omakorda alamklassideks ja alamklassideks. Praeguses rahvusvahelises klassifikatsioonis on igal ensüümil konkreetne kood, mis koosneb neljast punktidega eraldatud numbrist. Esimene number on klass, teine on alamklass, kolmas on alamklass, neljas on selle alaklassi ensüümi seerianumber, näiteks arginaasi kood on 3.5.3.1.

Minema loengud nr 2"Süsivesikute ja lipiidide struktuur ja funktsioonid"

Minema loengud nr 4"ATP nukleiinhapete struktuur ja funktsioonid"

VALGUD (valgud), komplekssete lämmastikku sisaldavate ühendite klass, elusaine kõige iseloomulikumad ja olulisemad (koos nukleiinhapetega) komponendid. Valgud täidavad paljusid ja erinevaid funktsioone. Enamik valke on ensüümid, mis katalüüsivad keemilisi reaktsioone. Paljud füsioloogilisi protsesse reguleerivad hormoonid on samuti valgud. Struktuursed valgud nagu kollageen ja keratiin on luukoe, juuste ja küünte peamised komponendid. Lihaste kontraktiilsed valgud on võimelised oma pikkust muutma, kasutades keemilist energiat mehaanilise töö tegemiseks. Valgud hõlmavad antikehi, mis seovad ja neutraliseerivad toksilisi aineid. Mõned välismõjudele (valgus, lõhn) reageerivad valgud toimivad ärritust tajuvate meelte retseptoritena. Paljud raku sees ja rakumembraanil asuvad valgud täidavad reguleerivaid funktsioone.

19. sajandi esimesel poolel. paljud keemikud, nende hulgas eelkõige J. von Liebig, jõudsid järk-järgult järeldusele, et valgud moodustavad lämmastikuühendite eriklassi. Nimi "valgud" (kreeka keelest.

protod esimene) pakkus 1840. aastal välja Hollandi keemik G. Mulder. FÜÜSIKALISED OMADUSED Valgud on tahkes olekus valged, kuid lahuses värvitud, välja arvatud juhul, kui neil on mingisugune kromofoor (värviline) rühm, näiteks hemoglobiin. Erinevate valkude lahustuvus vees on väga erinev. See muutub ka sõltuvalt pH-st ja soolade kontsentratsioonist lahuses, seega on võimalik valida tingimused, mille korral üks valk sadestub selektiivselt teiste valkude juuresolekul. Seda "väljasoolamise" meetodit kasutatakse laialdaselt valkude eraldamiseks ja puhastamiseks. Puhastatud valk sadestub sageli lahusest välja kristallidena.

Võrreldes teiste ühenditega on valkude molekulmass väga suur, ulatudes mitmest tuhandest kuni mitme miljoni daltonini. Seetõttu settivad ultratsentrifuugimise ajal valgud erineva kiirusega. Positiivse ja negatiivse laenguga rühmade esinemise tõttu valgumolekulides liiguvad need erineva kiirusega ja elektriväljas. See on elektroforeesi alus, meetod, mida kasutatakse üksikute valkude eraldamiseks keerukatest segudest. Valke puhastatakse ka kromatograafiaga.

KEEMILISED OMADUSED Struktuur. Valgud on polümeerid, st. molekulid, mis on ehitatud nagu ahelad korduvatest monomeerüksustest või subühikutest, mille rolli nad mängivad a -aminohapped. Aminohapete üldvalem kus R vesinikuaatom või mõni orgaaniline rühm.

Valgu molekul (polüpeptiidahel) võib koosneda ainult suhteliselt väikesest arvust aminohapetest või mitmest tuhandest monomeerühikust. Aminohapete kombineerimine ahelas on võimalik, kuna igaühel neist on kaks erinevat keemilist rühma: aluseliste omadustega aminorühm,

NH2 ja happeline karboksüülrühm COOH. Mõlemad rühmad on seotud a -süsiniku aatom. Ühe aminohappe karboksüülrühm võib moodustada amiid- (peptiid-) sideme teise aminohappe aminorühmaga:

Pärast seda, kui kaks aminohapet on sel viisil ühendatud, saab ahelat pikendada, lisades teisele aminohappele kolmanda jne. Nagu ülaltoodud võrrandist näha, vabaneb peptiidsideme moodustumisel vee molekul. Hapete, leeliste või proteolüütiliste ensüümide juuresolekul kulgeb reaktsioon vastupidises suunas: polüpeptiidahel jagatakse vee lisamisega aminohapeteks. Seda reaktsiooni nimetatakse hüdrolüüsiks. Hüdrolüüs toimub spontaanselt ja aminohapete ühendamiseks polüpeptiidahelaks on vaja energiat.

Karboksüülrühm ja amiidrühm (või sarnane imiidrühm aminohappe proliini puhul) esinevad kõigis aminohapetes, kuid erinevused aminohapete vahel on määratud rühma või kõrvalahela olemusega. mis on ülalpool kirjaga tähistatud

R . Külgahela rolli võib täita üks vesinikuaatom, nagu aminohappes glütsiin, või mõni mahukas rühm, nagu histidiinis ja trüptofaanis. Mõned külgahelad on keemiliselt inertsed, teised aga märkimisväärselt reaktiivsed.

Sünteesida saab palju tuhandeid erinevaid aminohappeid ja looduses esineb palju erinevaid aminohappeid, kuid valgusünteesiks kasutatakse ainult 20 tüüpi aminohappeid: alaniin, arginiin, asparagiin, asparagiinhape, valiin, histidiin, glütsiin, glutamiin, glutamiin hape, isoleutsiin, leutsiin, lüsiin, metioniin, proliin, seriin, türosiin, treoniin, trüptofaan, fenüülalaniin ja tsüsteiin (valkudes võib tsüsteiin esineda dimeerina

tsüstiin). Tõsi, mõned valgud sisaldavad lisaks regulaarselt esinevale kahekümnele ka teisi aminohappeid, kuid need tekivad ühe kahekümnest loetletud modifikatsiooni tulemusena pärast selle lisamist valgu hulka.Optiline aktiivsus. Kõik aminohapped, välja arvatud glütsiin, on a -süsiniku aatomiga on seotud neli erinevat rühma. Geomeetria seisukohalt saab nelja erinevat rühma kinnitada kahel viisil ja vastavalt sellele on kaks võimalikku konfiguratsiooni ehk kaks isomeeri, mis on omavahel seotud nagu objekt on selle peegelpildiga, s.t. nagu vasak käsi paremale. Ühte konfiguratsiooni nimetatakse vasakpoolseks või vasakukäeliseks ( L ) ja teine parempoolne või paremale pöörav ( D ), kuna kaks sellist isomeeri erinevad polariseeritud valguse tasandi pöörlemissuuna poolest. Leidub ainult valkudes L -aminohapped (erandiks on glütsiin; seda saab esitada ainult ühel kujul, kuna selle neljast rühmast kaks on samad) ja kõik need on optiliselt aktiivsed (kuna on ainult üks isomeer). D -aminohapped on looduses haruldased; neid leidub mõnes antibiootikumis ja bakterite rakuseinas.Aminohapete järjestus. Polüpeptiidahelas ei ole aminohapped paigutatud juhuslikult, vaid kindlas kindlas järjekorras ning just see järjestus määrab valgu funktsioonid ja omadused. Varieerides 20 tüüpi aminohapete järjestust, saate luua tohutul hulgal erinevaid valke, nii nagu saate luua palju erinevaid tekste tähestiku tähtedest.

Varem kestis valgu aminohappejärjestuse määramine sageli mitu aastat. Otsene määramine on endiselt üsna töömahukas ülesanne, kuigi on loodud seadmed, mis võimaldavad seda automaatselt teostada. Tavaliselt on lihtsam määrata vastava geeni nukleotiidjärjestus ja tuletada sellest valgu aminohappejärjestus. Tänaseks on paljude sadade valkude aminohappejärjestused juba kindlaks määratud. Dešifreeritud valkude funktsioonid on tavaliselt teada ja see aitab ette kujutada sarnaste valkude võimalikke funktsioone, mis tekivad näiteks pahaloomulistes kasvajates.

Komplekssed valgud. Ainult aminohapetest koosnevaid valke nimetatakse lihtsateks. Sageli on aga polüpeptiidahela külge kinnitatud metalliaatom või mõni keemiline ühend, mis ei ole aminohape. Selliseid valke nimetatakse kompleksseteks. Näiteks hemoglobiin: see sisaldab raudporfüriini, mis määrab selle punase värvuse ja võimaldab tal toimida hapnikukandjana.

Enamike keerukamate valkude nimetused näitavad seotud rühmade olemust: glükoproteiinid sisaldavad suhkruid, lipoproteiinid sisaldavad rasvu. Kui ensüümi katalüütiline aktiivsus sõltub seotud rühmast, siis nimetatakse seda proteesrühmaks. Sageli mängib vitamiin proteesirühma rolli või on selle osa. Näiteks A-vitamiin, mis on kinnitunud ühe võrkkesta valgu külge, määrab selle valgustundlikkuse.

Tertsiaarne struktuur. Tähtis pole mitte niivõrd valgu enda aminohappejärjestus (esmane struktuur), vaid viis, kuidas see ruumis paikneb. Kogu polüpeptiidahela pikkuses moodustavad vesinikioonid korrapäraseid vesiniksidemeid, mis annavad sellele spiraali või kihi kuju (sekundaarne struktuur). Selliste spiraalide ja kihtide kombinatsioonist tekib järgmise järjestuse kompaktne vorm: valgu tertsiaarne struktuur. Ahela monomeerüksusi hoidvate sidemete ümber on võimalikud väikeste nurkade all pöörlemised. Seetõttu on puhtalt geomeetrilisest vaatenurgast mis tahes polüpeptiidahela võimalike konfiguratsioonide arv lõpmatult suur. Tegelikkuses eksisteerib iga valk tavaliselt ainult ühes konfiguratsioonis, mille määrab tema aminohappejärjestus. See struktuur ei ole jäik, see on justkui « hingab” kõigub teatud keskmise konfiguratsiooni ümber. Ahel on volditud konfiguratsiooni, milles vaba energia (võime toota tööd) on minimaalne, nii nagu vabastatud vedru surub kokku ainult minimaalsele vabaenergiale vastavasse olekusse. Sageli on üks ahela osa teisega jäigalt seotud disulfiidiga ( SS) sidemed kahe tsüsteiinijäägi vahel. Osaliselt seetõttu on tsüsteiinil aminohapete hulgas eriti oluline roll.

Valkude struktuuri keerukus on nii suur, et valgu tertsiaarset struktuuri pole veel võimalik välja arvutada, isegi kui selle aminohappejärjestus on teada. Kuid kui on võimalik saada valgukristalle, saab selle tertsiaarset struktuuri määrata röntgendifraktsiooniga.

Struktuursetes, kokkutõmbumisvalkudes ja mõnedes teistes valkudes on ahelad piklikud ja mitmed läheduses asuvad kergelt volditud ahelad moodustavad fibrillid; fibrillid omakorda murduvad suuremateks kiududeks. Enamus lahuses olevaid valke on aga keraja kujuga: ahelad on kerakujuliselt keritud nagu lõng keras. Selle konfiguratsiooniga on vaba energia minimaalne, kuna hüdrofoobsed ("vett tõrjuvad") aminohapped on peidus kera sees ja hüdrofiilsed ("vett tõmbavad") aminohapped on selle pinnal.

Paljud valgud on mitme polüpeptiidahela kompleksid. Seda struktuuri nimetatakse valgu kvaternaarseks struktuuriks. Näiteks hemoglobiini molekul koosneb neljast alaühikust, millest igaüks on globulaarne valk.

Struktuurvalgud moodustavad oma lineaarse konfiguratsiooni tõttu väga kõrge tõmbetugevusega kiude, samal ajal kui globulaarne konfiguratsioon võimaldab valkudel astuda spetsiifilistesse interaktsioonidesse teiste ühenditega. Kui ahelad on õigesti paigutatud, ilmuvad kera pinnale teatud kujuga õõnsused, milles asuvad reaktiivsed keemilised rühmad. Kui antud valk on ensüüm, siis sellisesse õõnsusse siseneb mingi aine teine, tavaliselt väiksem molekul, täpselt nagu võti lukku; sel juhul muutub õõnsuses paiknevate keemiliste rühmade mõjul molekuli elektronpilve konfiguratsioon ja see sunnib seda teatud viisil reageerima. Sel viisil katalüüsib ensüüm reaktsiooni. Antikeha molekulidel on ka õõnsused, milles seonduvad mitmesugused võõrained ja muutuvad seeläbi kahjutuks. Mudel “lukk ja võti”, mis selgitab valkude vastasmõju teiste ühenditega, võimaldab mõista ensüümide ja antikehade spetsiifilisust, s.o. nende võime reageerida ainult teatud ühenditega.

Valgud erinevat tüüpi organismides. Valgud, mis täidavad erinevatel taime- ja loomaliikidel sama funktsiooni ja kannavad seetõttu sama nime, on samuti sarnase konfiguratsiooniga. Kuid need erinevad mõnevõrra oma aminohappejärjestuse poolest. Kuna liigid lahknevad ühisest esivanemast, asendatakse teatud positsioonides mõned aminohapped teiste mutatsioonidega. Pärilikke haigusi põhjustavad kahjulikud mutatsioonid elimineeritakse loodusliku valiku teel, kuid kasulikud või vähemalt neutraalsed võivad säilida. Mida lähemal on kaks liiki teineteisele, seda vähem on nende valkudes erinevusi.

Mõned valgud muutuvad suhteliselt kiiresti, teised on väga konserveerunud. Viimaste hulka kuulub näiteks tsütokroom Koos hingamisteede ensüüm, mida leidub enamikus elusorganismides. Inimestel ja šimpansitel on selle aminohappejärjestus identne ja tsütokroomis Koos Nisus olid ainult 38% aminohapetest erinevad. Isegi kui võrrelda inimesi ja baktereid, siis tsütokroomide sarnasus Koos(erinevused mõjutavad siin 65% aminohapetest) on siiani näha, kuigi bakterite ja inimeste ühine esivanem elas Maal umbes kaks miljardit aastat tagasi. Tänapäeval kasutatakse fülogeneetilise (sugu-)puu koostamiseks sageli aminohappejärjestuste võrdlemist, mis peegeldab erinevate organismide vahelisi evolutsioonilisi suhteid.

Denaturatsioon. Sünteesitud valgu molekul, voltimine, omandab oma iseloomuliku konfiguratsiooni. Seda konfiguratsiooni saab aga hävitada kuumutamisel, pH muutmisel, kokkupuutel orgaaniliste lahustitega ja isegi lahuse lihtsalt loksutades, kuni selle pinnale ilmuvad mullid. Sel viisil modifitseeritud valku nimetatakse denatureeritud; see kaotab oma bioloogilise aktiivsuse ja muutub tavaliselt lahustumatuks. Tuntud näited denatureeritud valkudest on keedetud munad või vahukoor. Väikesed valgud, mis sisaldavad vaid umbes sadat aminohapet, on võimelised renatureerima, s.t. hankige uuesti algne konfiguratsioon. Kuid enamik valke muutub lihtsalt sassis polüpeptiidahelate massiks ega taasta oma eelmist konfiguratsiooni.

Üks peamisi raskusi aktiivsete valkude eraldamisel on nende äärmine tundlikkus denaturatsiooni suhtes. See valkude omadus leiab kasulikku rakendust toiduainete säilitamisel: kõrge temperatuur denatureerib pöördumatult mikroorganismide ensüüme ja mikroorganismid surevad.

VALGU SÜNTEES Valkude sünteesimiseks peab elusorganismis olema ensüümide süsteem, mis on võimeline ühendama ühe aminohappe teisega. Teabeallikat on vaja ka selleks, et määrata, milliseid aminohappeid tuleks kombineerida. Kuna kehas on tuhandeid valke ja igaüks neist koosneb keskmiselt mitmesajast aminohappest, peab vajalik teave olema tõeliselt tohutu. See on salvestatud (sarnaselt sellele, kuidas salvestist salvestatakse magnetlindile) nukleiinhappemolekulides, mis moodustavad geenid. cm . ka PÄRILIKUD; NUKLEIINHAPPED.Ensüümide aktiveerimine. Aminohapetest sünteesitud polüpeptiidahel ei ole alati lõplikul kujul valk. Paljud ensüümid sünteesitakse esmalt mitteaktiivsete lähteainetena ja muutuvad aktiivseks alles pärast seda, kui teine ensüüm eemaldab ahela ühest otsast mitu aminohapet. Mõned seedeensüümid, näiteks trüpsiin, sünteesitakse sellel inaktiivsel kujul; need ensüümid aktiveeruvad seedetraktis ahela terminaalse fragmendi eemaldamise tulemusena. Hormooninsuliin, mille molekul aktiivsel kujul koosneb kahest lühikesest ahelast, sünteesitakse ühe ahela kujul, nn. proinsuliin. Seejärel eemaldatakse selle ahela keskmine osa ja ülejäänud fragmendid seostuvad omavahel, moodustades aktiivse hormooni molekuli. Komplekssed valgud tekivad alles pärast seda, kui valgu külge on kinnitunud konkreetne keemiline rühm ja see kinnitus nõuab sageli ka ensüümi.Metaboolne vereringe. Pärast looma söötmist süsiniku, lämmastiku või vesiniku radioaktiivsete isotoopidega märgistatud aminohapetega liidetakse märgis kiiresti tema valkudesse. Kui märgistatud aminohapped lakkavad kehasse sisenemast, hakkab märgise hulk valkudes vähenema. Need katsed näitavad, et saadud valgud ei säili organismis eluea lõpuni. Kõik need, välja arvatud üksikud erandid, on dünaamilises olekus, lagunedes pidevalt aminohapeteks ja seejärel uuesti sünteesides.

Mõned valgud lagunevad, kui rakud surevad ja hävivad. See juhtub kogu aeg, näiteks soolestiku sisepinda vooderdavate punaste vereliblede ja epiteelirakkudega. Lisaks toimub elusrakkudes ka valkude lagunemine ja taassüntees. Kummalisel kombel teatakse valkude lagunemisest vähem kui nende sünteesist. Siiski on selge, et lagunemine hõlmab proteolüütilisi ensüüme, mis on sarnased ensüümidega, mis lagundavad valgud seedetraktis aminohapeteks.

Erinevate valkude poolväärtusaeg varieerub mitmest tunnist mitme kuuni. Ainus erand on kollageeni molekul. Kui need on moodustatud, jäävad need stabiilseks ja neid ei uuendata ega asendata. Aja jooksul aga muutuvad osad nende omadustest, eelkõige elastsus, ning kuna need ei uuene, siis selle tulemuseks on teatud vanusega seotud muutused, näiteks nahale tekivad kortsud.

Sünteetilised valgud. Keemikud on juba ammu õppinud aminohappeid polümeriseerima, kuid aminohappeid kombineeritakse ebakorrapäraselt, nii et sellise polümerisatsiooni saadused ei sarnane looduslike omadega. Tõsi, aminohappeid on võimalik teatud järjekorras kombineerida, mis võimaldab saada mõningaid bioloogiliselt aktiivseid valke, eriti insuliini. Protsess on üsna keeruline ja nii on võimalik saada ainult neid valke, mille molekulid sisaldavad sadakond aminohapet. Selle asemel on eelistatav sünteesida või isoleerida soovitud aminohappejärjestusele vastava geeni nukleotiidjärjestus ja seejärel sisestada see geen bakterisse, mis toodab replikatsiooni teel suures koguses soovitud produkti. Sellel meetodil on aga ka omad miinused. cm . ka GENEETIKA. VALK JA TOITUMINE Kui organismis olevad valgud lagundatakse aminohapeteks, saab neid aminohappeid uuesti kasutada valkude sünteesimiseks. Samal ajal lagunevad aminohapped ise, mistõttu neid täielikult uuesti ei kasutata. Samuti on selge, et kasvu, raseduse ja haavade paranemise ajal peab valkude süntees ületama lagunemise. Keha kaotab pidevalt mõningaid valke; Need on juuste, küünte ja naha pinnakihi valgud. Seetõttu peab iga organism valkude sünteesimiseks saama aminohappeid toidust. Rohelised taimed sünteesivad CO-st 2 , vesi ja ammoniaak või nitraadid on kõik 20 aminohapet, mida leidub valkudes. Paljud bakterid on samuti võimelised sünteesima aminohappeid suhkru (või mõne samaväärse) ja fikseeritud lämmastiku juuresolekul, kuid lõpuks tarnivad suhkrut rohelised taimed. Loomadel on piiratud võime sünteesida aminohappeid; nad saavad aminohappeid rohelisi taimi või muid loomi süües. Seedetraktis lagundatakse imendunud valgud aminohapeteks, viimased imenduvad ning neist ehitatakse üles antud organismile omased valgud. Ükski imendunud valk ei ole sellisena kehastruktuuridesse lülitatud. Ainus erand on see, et paljudel imetajatel võivad osad ema antikehad pääseda tervena läbi platsenta loote vereringesse ja emapiima kaudu (eriti mäletsejalistel) kanduda vastsündinule kohe pärast sündi.Valgu vajadus. On selge, et elu säilitamiseks peab organism toidust saama teatud koguse valku. Selle vajaduse ulatus sõltub aga mitmest tegurist. Keha vajab toitu nii energiaallikana (kalorid) kui ka materjalina oma struktuuride ülesehitamiseks. Energiavajadus on esikohal. See tähendab, et kui toidus on vähe süsivesikuid ja rasvu, kasutatakse toiduvalke mitte nende enda valkude sünteesiks, vaid kaloriallikana. Pikaajalise paastumise ajal kasutatakse energiavajaduse rahuldamiseks isegi teie enda valke. Kui toidus on piisavalt süsivesikuid, saab valgu tarbimist vähendada.Lämmastiku tasakaal. Keskmiselt u. 16% valkude kogumassist on lämmastik. Valkudes sisalduvate aminohapete lagundamisel eritub neis sisalduv lämmastik organismist uriiniga ja (vähemal määral) väljaheitega erinevate lämmastikuühendite kujul. Seetõttu on valgulise toitumise kvaliteedi hindamiseks mugav kasutada sellist indikaatorit nagu lämmastiku tasakaal, s.t. kehasse siseneva lämmastiku koguse ja ööpäevas erituva lämmastiku koguse vahe (grammides). Täiskasvanu normaalse toitumise korral on need kogused võrdsed. Kasvavas organismis on väljutatava lämmastiku hulk väiksem kui vastuvõetav, s.t. saldo on positiivne. Kui toidus on valgupuudus, on saldo negatiivne. Kui toidus on küllaldaselt kaloreid, aga valke sees ei ole, säästab organism valke. Samal ajal valkude metabolism aeglustub ning aminohapete korduv kasutamine valgusünteesis toimub võimalikult suure efektiivsusega. Kaod on aga vältimatud ning lämmastikuühendid erituvad endiselt uriiniga ja osaliselt ka väljaheitega. Valgupaastu ajal kehast päevas eritunud lämmastiku kogus võib olla igapäevase valgupuuduse mõõt. Loomulik on eeldada, et selle defitsiidiga võrdväärse valgukoguse lisamisega dieeti saab taastada lämmastiku tasakaalu. Siiski ei ole. Pärast sellise valgukoguse saamist hakkab organism aminohappeid vähem tõhusalt kasutama, mistõttu on lämmastiku tasakaalu taastamiseks vaja täiendavat valku.

Kui valgu kogus toidus ületab lämmastiku tasakaalu säilitamiseks vajaliku, ei paista kahju olevat. Üleliigseid aminohappeid kasutatakse lihtsalt energiaallikana. Eriti ilmeka näitena tarbivad eskimod vähe süsivesikuid ja umbes kümme korda rohkem valku, mis on vajalik lämmastiku tasakaalu säilitamiseks. Enamasti ei ole valgu kasutamine energiaallikana siiski kasulik, sest teatud kogus süsivesikuid võib toota palju rohkem kaloreid kui sama kogus valku. Vaestes riikides saavad inimesed oma kalorid süsivesikutest ja tarbivad minimaalses koguses valku.

Kui organism saab vajaliku hulga kaloreid mittevalgutoodetena, siis minimaalne valgukogus lämmastiku tasakaalu säilimise tagamiseks on ca. 30 g päevas. Umbes nii palju valku sisaldab neli viilu saia või 0,5 liitrit piima. Veidi suuremat arvu peetakse tavaliselt optimaalseks; Soovitatav on 50–70 g.

Asendamatud aminohapped. Seni käsitleti valku tervikuna. Samal ajal peavad valkude sünteesi toimumiseks kehas olema kõik vajalikud aminohapped. Looma keha ise on võimeline sünteesima mõningaid aminohappeid. Neid nimetatakse asendatavateks, sest neid ei pea tingimata toidus olema, oluline on vaid, et üldine valguvaru lämmastikuallikana oleks piisav; siis, kui asendamatutest aminohapetest on puudus, saab organism neid sünteesida nende arvelt, mida leidub liigselt. Ülejäänud, "asendamatuid" aminohappeid ei saa sünteesida ja need tuleb organismi varustada toiduga. Inimestele hädavajalikud on valiin, leutsiin, isoleutsiin, treoniin, metioniin, fenüülalaniin, trüptofaan, histidiin, lüsiin ja arginiin. (Kuigi arginiini saab organismis sünteesida, on see klassifitseeritud asendamatute aminohapete hulka, kuna seda ei toodeta piisavas koguses vastsündinutel ja kasvavatel lastel. Teisest küljest võivad mõned neist toidust saadavatest aminohapetest muutuda täiskasvanu jaoks ebavajalikuks inimene.)

See asendamatute aminohapete loend on teistel selgroogsetel ja isegi putukatel ligikaudu sama. Valkude toiteväärtus määratakse tavaliselt kasvavatele rottidele söötmise ja loomade kaalutõusu jälgimise teel.

Valkude toiteväärtus. Valgu toiteväärtuse määrab asendamatu aminohape, millest on kõige rohkem puudus. Illustreerime seda näitega. Meie kehas olevad valgud sisaldavad keskmiselt u. 2% trüptofaani (massi järgi). Oletame, et dieet sisaldab 10 g valku, mis sisaldab 1% trüptofaani ja selles on piisavalt muid asendamatuid aminohappeid. Meie puhul võrdub 10 g seda mittetäielikku valku sisuliselt 5 g täisvalguga; ülejäänud 5 g saab olla ainult energiaallikas. Arvestage, et kuna aminohappeid organismis praktiliselt ei säilitata ja valkude sünteesi toimumiseks peavad kõik aminohapped olema samaaegselt olemas, saab asendamatute aminohapete tarbimise mõju tuvastada ainult siis, kui need kõik siseneda kehasse samal ajal. Enamiku loomsete valkude keskmine koostis on lähedane inimorganismi valkude keskmisele koostisele, seega on vähetõenäoline, et meil tekib aminohapete vaegus, kui meie toidus on rikkalikult toiduaineid, nagu liha, munad, piim ja juust. Siiski on valke, nagu želatiin (kollageeni denaturatsiooni produkt), mis sisaldavad väga vähe asendamatuid aminohappeid. Taimsed valgud, kuigi nad on selles mõttes paremad kui želatiin, on ka asendamatute aminohapete poolest vaesed; Nendes on eriti vähe lüsiini ja trüptofaani. Sellegipoolest ei saa puhtalt taimetoitlust üldse kahjulikuks pidada, välja arvatud juhul, kui see tarbib veidi suuremas koguses taimseid valke, mis on piisav, et varustada organismi asendamatute aminohapetega. Taimed sisaldavad kõige rohkem valku oma seemnetes, eriti nisu ja erinevate kaunviljade seemnetes. Valgurikkad on ka noored võrsed, näiteks spargel.Sünteetilised valgud toidus. Lisades mittetäielikele valkudele, näiteks maisivalkudele, väikeses koguses sünteetilisi asendamatuid aminohappeid või aminohapperikkaid valke, saab viimaste toiteväärtust oluliselt tõsta, s.t. suurendades seeläbi tarbitava valgu hulka. Teine võimalus on kasvatada baktereid või pärmi nafta süsivesinikel, lisades lämmastikuallikana nitraate või ammoniaaki. Sel viisil saadud mikroobne valk võib olla kodulindude või kariloomade söödaks või inimestele otse tarbitav. Kolmas, laialdaselt kasutatav meetod kasutab mäletsejaliste füsioloogiat. Mäletsejalistel mao algosas nn. Vatsas elavad bakterite ja algloomade erivormid, mis muudavad mittetäielikud taimsed valgud terviklikumateks mikroobseteks valkudeks, mis omakorda pärast seedimist ja imendumist loomseteks valkudeks. Karbamiidi, odavat sünteetilist lämmastikku sisaldavat ühendit, võib lisada loomasöödale. Vatsas elavad mikroorganismid kasutavad uurea lämmastikku, et muuta süsivesikud (mida on söödas palju rohkem) valkudeks. Umbes kolmandik kogu loomasöödas leiduvast lämmastikust võib tulla karbamiidi kujul, mis sisuliselt tähendab teatud määral valgu keemilist sünteesi. USA-s on sellel meetodil oluline roll ühe valgu hankimise viisina.KIRJANDUS Murray R., Grenner D., Mayes P., Rodwell W. Inimese biokeemia, vol. 12. M., 1993
Alberts B, Bray D, Lewis J jt. Molekulaarrakubioloogia, vol. 13. M., 1994

Pilet 2. 1. Lipiidide olemuse olulised toitumistegurid. Mõned lipiidid ei sünteesita inimkehas ja on seetõttu olulised toitumistegurid. Nende hulka kuuluvad kahe või enama kaksiksidemega rasvhapped (polüeen) - asendamatud rasvhapped. Mõned neist hapetest on kohalike hormoonide – eikosanoidide – sünteesi substraadid (teema 8.10).

Rasvlahustuvad vitamiinid täidab erinevaid funktsioone: vitamiin A osaleb nii nägemise kui ka rakkude kasvu ja diferentseerumise protsessis; selle võime pärssida teatud tüüpi kasvajate kasvu on tõestatud; vitamiin K osaleb vere hüübimises; D-vitamiini osaleb kaltsiumi metabolismi reguleerimises; vitamiin E- antioksüdant, pärsib vabade radikaalide teket ja seega neutraliseerib lipiidide peroksüdatsioonist tingitud rakukahjustusi.

Dokument

2.Valkude struktuur ja struktuurse organiseerituse tasemed

Valkude struktuursel organiseerimisel on neli taset: primaarne, sekundaarne, tertsiaarne ja kvaternaarne. Igal tasemel on oma omadused.

Valgu esmane struktuur

Valkude põhistruktuur on aminohapete lineaarne polüpeptiidahel, mis on ühendatud peptiidsidemetega. Primaarstruktuur on valgu molekuli struktuurse organiseerituse kõige lihtsam tase. Kõrge stabiilsuse annavad sellele kovalentsed peptiidsidemed ühe aminohappe α-aminorühma ja teise aminohappe α-karboksüülrühma vahel. [saade].

Kui proliini või hüdroksüproliini iminorühm osaleb peptiidsideme moodustumisel, on sellel erinev vorm [saade].

Kui rakkudes tekivad peptiidsidemed, aktiveeritakse esmalt ühe aminohappe karboksüülrühm ja seejärel ühineb see teise aminohappe aminorühmaga. Polüpeptiidide laboratoorne süntees viiakse läbi ligikaudu samal viisil.

Peptiidside on polüpeptiidahela korduv fragment. Sellel on mitmeid omadusi, mis mõjutavad mitte ainult primaarstruktuuri kuju, vaid ka polüpeptiidahela kõrgemat organiseerituse taset:

koplanaarsus – kõik peptiidrühma kuuluvad aatomid on samal tasapinnal;

võime eksisteerida kahes resonantsvormis (keto- või enoolvorm);

asendajate trans-positsioon C-N sideme suhtes;

võime moodustada vesiniksidemeid ja iga peptiidrühm võib moodustada kaks vesiniksidet teiste rühmadega, sealhulgas peptiidrühmadega.

Erandiks on peptiidrühmad, mis hõlmavad proliini või hüdroksüproliini aminorühma. Nad on võimelised moodustama ainult ühe vesiniksideme (vt eespool). See mõjutab valgu sekundaarse struktuuri moodustumist. Polüpeptiidahel piirkonnas, kus proliin või hüdroksüproliin asub, paindub kergesti, kuna seda ei hoia, nagu tavaliselt, teine vesinikside.

Peptiidide ja polüpeptiidide nomenklatuur. Peptiidide nimi koosneb nende koostises olevate aminohapete nimedest. Kaks aminohapet moodustavad dipeptiidi, kolm tripeptiidi, neli tetrapeptiidi jne. Igas mis tahes pikkuses peptiidis või polüpeptiidahelas on N-otsa aminohape, mis sisaldab vaba aminorühma ja C-otsa aminohape, mis sisaldab vaba karboksüülrühma Grupp. Polüpeptiidide nimetamisel loetletakse kõik aminohapped järjestikku, alustades N-terminaalsest, asendades nende nimedes, välja arvatud C-otsa, järelliide -in -üüliga (kuna peptiidides sisalduvatel aminohapetel ei ole enam karboksüülrühm, vaid karbonüülrühm). Näiteks joonisel fig. 1 tripeptiid - leuc muda fenüülalaan muda treoon sisse.

Valgu esmase struktuuri tunnused. Polüpeptiidahela selgroos vahelduvad jäigad struktuurid (lamedad peptiidirühmad) suhteliselt liikuvate piirkondadega (-CHR), mis on võimelised sidemete ümber pöörlema. Sellised polüpeptiidahela struktuurilised omadused mõjutavad selle ruumilist paigutust.

Valkude sekundaarne struktuur

Sekundaarne struktuur on viis polüpeptiidahela voltimiseks järjestatud struktuuriks sama ahela peptiidrühmade või külgnevate polüpeptiidahelate vahel vesiniksidemete moodustumise tõttu. Konfiguratsiooni järgi jagunevad sekundaarsed struktuurid spiraalseteks (α-heeliks) ja kihilisteks volditud (β-struktuur ja rist-β-vorm).

α-heeliks. See on teatud tüüpi sekundaarne valgu struktuur, mis näeb välja nagu tavaline spiraal, mis on moodustunud peptiidsete vesiniksidemete tõttu ühes polüpeptiidahelas. α-heeliksi struktuuri mudeli (joonis 2), mis võtab arvesse kõiki peptiidsideme omadusi, pakkusid välja Pauling ja Corey. α-heeliksi peamised omadused:

spiraalse sümmeetriaga polüpeptiidahela spiraalne konfiguratsioon;

vesiniksidemete moodustumine iga esimese ja neljanda aminohappejäägi peptiidrühmade vahel;

spiraalsete pöörete korrapärasus;

kõigi α-heeliksi aminohappejääkide ekvivalentsus, sõltumata nende kõrvalradikaalide struktuurist;

aminohapete kõrvalradikaalid ei osale α-heeliksi moodustamises.

Väliselt näeb α-heeliks välja nagu elektripliidi kergelt venitatud spiraal. Esimese ja neljanda peptiidrühma vaheliste vesiniksidemete regulaarsus määrab polüpeptiidahela pöörete regulaarsuse. Ühe pöörde kõrgus ehk α-heeliksi samm on 0,54 nm; see sisaldab 3,6 aminohappejääki, st iga aminohappejääk liigub piki telge (ühe aminohappejäägi kõrgus) 0,15 nm (0,54:3,6 = 0,15 nm), mis võimaldab rääkida kõigi aminohappejääkide samaväärsusest α-heeliksis. α-heeliksi regulaarsusperiood on 5 pööret või 18 aminohappejääki; ühe perioodi pikkus on 2,7 nm. Riis. 3. Pauling-Corey a-helix mudel

β-struktuur. See on teatud tüüpi sekundaarne struktuur, millel on polüpeptiidahela veidi kõver konfiguratsioon ja mis on moodustatud peptiidsete vesiniksidemetega ühe polüpeptiidahela üksikutes osades või külgnevates polüpeptiidahelates. Seda nimetatakse ka kihiliseks voldikuks. β-struktuure on erinevaid. Valgu ühest polüpeptiidahelast moodustatud piiratud kihilisi piirkondi nimetatakse rist-β vormiks (lühike β struktuur). Polüpeptiidahela silmuste peptiidrühmade vahel moodustuvad rist-β vormis vesiniksidemed. Teine tüüp - täielik β-struktuur - on iseloomulik kogu polüpeptiidahelale, millel on piklik kuju ja mida hoiavad peptiidsidemed külgnevate paralleelsete polüpeptiidahelate vahel (joonis 3). See struktuur meenutab akordioni lõõtsa. Pealegi on võimalikud β-struktuuride variandid: need võivad olla moodustatud paralleelsete ahelatena (polüpeptiidahelate N-otsad on suunatud samas suunas) ja antiparalleelsetena (N-terminaalsed otsad on suunatud eri suundades). Ühe kihi külgradikaalid asetatakse teise kihi külgradikaalide vahele.

Valkudes on vesiniksidemete ümberkorraldamise tõttu võimalikud üleminekud α-struktuuridelt β-struktuuridele ja tagasi. Regulaarsete peptiidsete vesiniksidemete asemel piki ahelat (tänu millele polüpeptiidahel on keerdunud spiraaliks) kerivad spiraalsed lõigud lahti ja vesiniksidemed sulguvad polüpeptiidahelate piklike fragmentide vahel. Seda üleminekut leidub keratiinis, juuste valguses. Leeliseliste pesuvahenditega juukseid pestes hävib kergesti β-keratiini spiraalne struktuur ja see muutub α-keratiiniks (lokkis juuksed sirguvad).

Valkude regulaarsete sekundaarstruktuuride (α-heeliksid ja β-struktuurid) hävitamist nimetatakse analoogselt kristalli sulamisega polüpeptiidide “sulamiseks”. Sel juhul katkevad vesiniksidemed ja polüpeptiidahelad muutuvad juhusliku sasipuntra kujul. Järelikult määravad sekundaarstruktuuride stabiilsuse peptiidsete vesiniksidemed. Muud tüüpi sidemed selles peaaegu ei osale, välja arvatud disulfiidsidemed piki polüpeptiidahelat tsüsteiinijääkide asukohtades. Lühikesed peptiidid suletakse disulfiidsidemete tõttu tsükliteks. Paljud valgud sisaldavad nii α-spiraalseid piirkondi kui ka β-struktuure. 100% α-heeliksist koosnevaid looduslikke valke peaaegu pole (erandiks on paramüosiin, lihasvalk, mis koosneb 96-100% α-heeliksist), samas kui sünteetilistel polüpeptiididel on 100% heeliksit.

Teistel valkudel on erinev keerdumisaste. Paramüosiini, müoglobiini ja hemoglobiini puhul täheldatakse α-spiraalsete struktuuride suurt sagedust. Seevastu trüpsiinis, ribonukleaasis, on märkimisväärne osa polüpeptiidahelast volditud kihilisteks β-struktuurideks. Tugikudede valgud: keratiin (karva-, villavalk), kollageen (kõõluste, naha valk), fibroiin (loodusliku siidi valk) on polüpeptiidahelate β-konfiguratsiooniga. Valkude polüpeptiidahelate erinevad helilisuse astmed näitavad, et ilmselgelt on olemas jõud, mis osaliselt häirivad spiraali või "murvad" polüpeptiidahela korrapärase voltimise. Selle põhjuseks on valgu polüpeptiidahela kompaktsem voltimine teatud mahus, st tertsiaarseks struktuuriks.

Valgu tertsiaarne struktuur

Valgu tertsiaarne struktuur on viis, kuidas polüpeptiid ahel on ruumis paigutatud. Tertsiaarse struktuuri kuju järgi jagunevad valgud peamiselt kera- ja fibrillaarseteks. Kerakujulised valgud on enamasti ellipsoidse kujuga ja fibrillaarsed (niiditaolised) valgud on pikliku kujuga (varda või spindli kuju).

Valkude tertsiaarse struktuuri konfiguratsioon ei anna aga veel põhjust arvata, et fibrillaarsetel valkudel on ainult β-struktuur ja globulaarsetel valkudel on α-spiraalne struktuur. On fibrillaarseid valke, millel on spiraalne, mitte kihiline volditud sekundaarne struktuur. Näiteks α-keratiin ja paramüosiin (molluskite sulgurlihase valk), tropomüosiinid (skeletilihaste valgud) kuuluvad fibrillaarsete valkude hulka (on pulgakujuline) ja nende sekundaarne struktuur on α-heeliks; seevastu globulaarsed valgud võivad sisaldada suurt hulka β-struktuure.

Lineaarse polüpeptiidahela spiraliseerumine vähendab selle suurust ligikaudu 4 korda; ja tertsiaarsesse struktuuri pakkimine muudab selle kümneid kordi kompaktsemaks kui algne kett.

Sidemed, mis stabiliseerivad valgu tertsiaarset struktuuri. Aminohapete külgradikaalide vahelised sidemed mängivad rolli tertsiaarse struktuuri stabiliseerimisel. Need ühendused võib jagada järgmisteks osadeks:

tugev (kovalentne) [saade].

nõrk (polaarne ja van der Waals) [saade].

Arvukad sidemed aminohapete külgradikaalide vahel määravad valgu molekuli ruumilise konfiguratsiooni.

Valgu tertsiaarse struktuuri korralduse tunnused. Polüpeptiidahela tertsiaarse struktuuri konformatsiooni määravad selles sisalduvate aminohapete kõrvalradikaalide omadused (mis ei oma märgatavat mõju primaar- ja sekundaarstruktuuride tekkele) ning mikrokeskkond, st. keskkond. Voldituna kipub valgu polüpeptiidahel võtma energeetiliselt soodsa vormi, mida iseloomustab minimaalne vaba energia sisaldus. Seetõttu moodustavad mittepolaarsed R-rühmad, "vältides" vett, justkui valgu tertsiaarse struktuuri sisemise osa, kus asub põhiosa polüpeptiidahela hüdrofoobsetest jääkidest. Valgukerakese keskel pole veemolekule peaaegu üldse. Aminohappe polaarsed (hüdrofiilsed) R-rühmad asuvad väljaspool seda hüdrofoobset tuuma ja on ümbritsetud veemolekulidega. Polüpeptiidahel on kolmemõõtmelises ruumis keerukalt painutatud. Kui see paindub, on sekundaarne spiraalne konformatsioon häiritud. Ahel "katkeneb" nõrkades kohtades, kus asub proliin või hüdroksüproliin, kuna need aminohapped on ahelas liikuvamad, moodustades teiste peptiidrühmadega ainult ühe vesiniksideme. Teine paindekoht on glütsiin, millel on väike R-rühm (vesinik). Seetõttu kipuvad teiste aminohapete R-rühmad virnastatud kujul hõivama glütsiini asukohas vaba ruumi. Mitmed aminohapped – alaniin, leutsiin, glutamaat, histidiin – aitavad kaasa stabiilsete spiraalsete struktuuride säilimisele valkudes ning nagu metioniin, valiin, isoleutsiin, asparagiinhape soodustavad β-struktuuride teket. Tertsiaarse konfiguratsiooniga valgumolekulis on piirkonnad α-heeliksite (spiraalsed), β-struktuuride (kihilised) ja juhusliku mähise kujul. Ainult valgu õige ruumiline paigutus muudab selle aktiivseks; selle rikkumine toob kaasa muutused valgu omadustes ja bioloogilise aktiivsuse kadumise.

Kvaternaarne valgu struktuur

Ühest polüpeptiidahelast koosnevatel valkudel on ainult tertsiaarne struktuur. Nende hulka kuuluvad müoglobiin – lihaskoe valk, mis osaleb hapniku sidumises, mitmed ensüümid (lüsosüüm, pepsiin, trüpsiin jne). Mõned valgud on aga ehitatud mitmest polüpeptiidahelast, millest igaühel on tertsiaarne struktuur. Selliste valkude puhul on kasutusele võetud kvaternaarse struktuuri mõiste, mis kujutab endast mitme tertsiaarse struktuuriga polüpeptiidahela organiseerimist üheks funktsionaalseks valgu molekuliks. Sellist kvaternaarse struktuuriga valku nimetatakse oligomeeriks ja selle tertsiaarse struktuuriga polüpeptiidahelaid protomeerideks või subühikuteks (joonis 4).

Organisatsiooni kvaternaarsel tasemel säilitavad valgud tertsiaarse struktuuri põhikonfiguratsiooni (kerakujuline või fibrillaarne). Näiteks hemoglobiin on kvaternaarse struktuuriga valk, mis koosneb neljast alaühikust. Iga alaühik on globulaarne valk ja üldiselt on hemoglobiinil ka globulaarne konfiguratsioon. Juukse- ja villavalgud - keratiinid, mis on tertsiaarselt seotud fibrillaarsete valkudega, on fibrillaarse konformatsiooni ja kvaternaarse struktuuriga.

Valgu kvaternaarse struktuuri stabiliseerumine. Kõik valgud, millel on kvaternaarne struktuur, eraldatakse üksikute makromolekulide kujul, mis ei lagune subühikuteks. Allüksuste pindade vahelised kontaktid on võimalikud ainult aminohappejääkide polaarsete rühmade tõttu, kuna iga polüpeptiidahela tertsiaarse struktuuri moodustumisel saavad mittepolaarsete aminohapete külgradikaalid (mis moodustavad suurema osa aminohappejääkidest). kõik proteinogeensed aminohapped) on peidetud subühiku sees. Nende polaarsete rühmade vahel moodustub arvukalt ioonseid (soola-), vesiniku- ja mõnel juhul disulfiidsidemeid, mis hoiavad alaühikuid kindlalt korrastatud kompleksina. Vesiniksidemeid purustavate või disulfiidsildu vähendavate ainete kasutamine põhjustab protomeeride lagunemist ja valgu kvaternaarse struktuuri hävimist. Tabelis 1 on kokku võetud andmed sidemete kohta, mis stabiliseerivad valgu molekuli erinevaid organiseerituse tasemeid [saade].

Mõnede fibrillaarsete valkude struktuurse korralduse tunnused

Fibrillaarsete valkude struktuursel ülesehitusel on võrreldes globulaarsete valkudega mitmeid tunnuseid. Neid omadusi võib näha keratiini, fibroiini ja kollageeni näitel. Keratiinid eksisteerivad α- ja β-konformatsioonis. α-keratiinidel ja fibroiinil on kihiline-volditud sekundaarne struktuur, kuid keratiinis on ahelad paralleelsed ja fibroiinis antiparalleelsed (vt joonis 3); Lisaks sisaldab keratiin ahelatevahelisi disulfiidsidemeid, samas kui fibroiinil neid pole. Disulfiidsidemete katkemine viib keratiinide polüpeptiidahelate eraldumiseni. Vastupidi, maksimaalse arvu disulfiidsidemete moodustumine keratiinides kokkupuutel oksüdeerivate ainetega loob tugeva ruumilise struktuuri. Üldiselt on fibrillaarsetes valkudes, erinevalt globulaarsetest valkudest, mõnikord raske eristada rangelt erinevaid organiseerituse tasemeid. Kui nõustume (nagu globulaarse valgu puhul), et tertsiaarstruktuur moodustatakse ruumis ühe polüpeptiidahela paigutamisega ja kvaternaarne struktuur mitme ahelaga, siis fibrillaarsetes valkudes on juba sekundaarstruktuuri moodustumisel kaasatud mitu polüpeptiidahelat. . Fibrillaarse valgu tüüpiline näide on kollageen, mis on inimkehas üks enim leiduvaid valke (umbes 1/3 kõigi valkude massist). Seda leidub kudedes, millel on suur tugevus ja madal venitatavus (luud, kõõlused, nahk, hambad jne). Kollageenis on kolmandiku aminohappejääkidest glütsiin ja umbes veerand või veidi rohkem proliin või hüdroksüproliin.

Kollageeni eraldatud polüpeptiidahel (esmane struktuur) näeb välja nagu katkendlik joon. See sisaldab umbes 1000 aminohapet ja selle molekulmass on umbes 10 5 (joonis 5, a, b). Polüpeptiidahel koosneb korduvast aminohapete triost (triplet), mille koostis on järgmine: gly-A-B, kus A ja B on mis tahes muud aminohapped peale glütsiini (enamasti proliin ja hüdroksüproliin). Kollageeni polüpeptiidahelad (või α-ahelad) sekundaarsete ja tertsiaarsete struktuuride moodustumisel (joonis 5, c ja d) ei suuda toota tüüpilisi spiraalse sümmeetriaga α-heelikse. Proliin, hüdroksüproliin ja glütsiin (antiheelilised aminohapped) segavad seda. Seetõttu moodustavad kolm α-ahelat justkui keerdunud spiraale, nagu kolm niiti, mis keerduvad ümber silindri. Kolm spiraalset α-ahelat moodustavad korduva kollageenistruktuuri, mida nimetatakse tropokollageeniks (joonis 5d). Tropokollageen on oma organisatsioonis kollageeni tertsiaarne struktuur. Korrapäraselt piki ahelat vahelduvad proliini ja hüdroksüproliini lamedad rõngad annavad sellele jäikuse, nagu ka ahelatevahelised sidemed tropokollageeni α-ahelate vahel (sellepärast on kollageen venimisele vastupidav). Tropokollageen on sisuliselt kollageenfibrillide alaühik. Tropokollageeni subühikute paigutamine kollageeni kvaternaarsesse struktuuri toimub astmeliselt (joonis 5e).

Kollageenistruktuuride stabiliseerumine toimub tänu ahelatevahelistele vesinik-, ioon- ja van der Waalsi sidemetele ning vähesele hulgale kovalentsetele sidemetele.

Kollageeni α-ahelatel on erinev keemiline struktuur. On olemas erinevat tüüpi α 1 ahelaid (I, II, III, IV) ja α 2 ahelaid. Sõltuvalt sellest, millised α 1 - ja α 2 -ahelad osalevad tropokollageeni kolmeahelalise heeliksi moodustamises, eristatakse nelja tüüpi kollageeni:

esimene tüüp - kaks α 1 (I) ja üks α 2 ahelat;

teine tüüp - kolm α 1 (II) ahelat;

kolmas tüüp - kolm α 1 (III) ahelat;

neljas tüüp - kolm α 1 (IV) ahelat.

Kõige tavalisem kollageen on esimest tüüpi: seda leidub luukoes, nahas, kõõlustes; 2. tüüpi kollageeni leidub kõhrekoes jne. Üks koetüüp võib sisaldada erinevat tüüpi kollageeni.

Kollageenistruktuuride korrastatud agregatsioon, nende jäikus ja inertsus tagavad kollageenikiudude kõrge tugevuse. Kollageenivalgud sisaldavad ka süsivesikute komponente, st need on valkude-süsivesikute kompleksid.

Kollageen on rakuväline valk, mida moodustavad kõigis elundites leiduvad sidekoerakud. Seetõttu tekivad kollageeni kahjustamise (või selle moodustumise katkemise) korral elundite sidekoe tugifunktsioonide mitmekordsed rikkumised.

Alfa-polüpeptiidahel lõpeb aminohapete kombinatsiooniga valiin-leutsiin ja beeta-polüpeptiid ahel lõpeb kombinatsiooniga valiin-histidiin-leutsiin. Alfa- ja beeta-polüpeptiidahelad hemoglobiini molekulis ei ole lineaarselt paigutatud, see on esmane struktuur. Molekulisiseste jõudude olemasolu tõttu on polüpeptiidahelad keerdunud valkudele tüüpilise alfa-heeliksi (sekundaarstruktuur) kujul. Alfa-heeliksi spiraal ise paindub ruumiliselt iga alfa- ja beeta-polüpeptiidahela jaoks, moodustades munaja kujuga põimikud (tertsiaarne struktuur). Polüpeptiidahelate alfa-heeliksi heeliksite üksikud osad on tähistatud ladina tähtedega A-st H-ni. Kõik neli tertsiaarset kumerat alfa- ja beeta-polüpeptiidahelat paiknevad ruumiliselt teatud suhtes – kvaternaarses struktuuris. Neid ühendavad mitte tõelised keemilised sidemed, vaid molekulidevahelised jõud.

Selgus, et inimestel on kolm peamist normaalse hemoglobiini tüüpi: embrüonaalne - U, loote - F ja täiskasvanu hemoglobiin - A. HbU (nimetatud sõna emakas algustähe järgi) esineb embrüos 7. ja 12. elunädala vahel, siis see kaob ja ilmub loote hemoglobiin, mis pärast kolmandat kuud on loote peamine hemoglobiin. Pärast seda ilmub ingliskeelse sõna "adult" algustähe järel järk-järgult tavaline täiskasvanu hemoglobiin, mida nimetatakse HbA-ks. Loote hemoglobiini hulk väheneb järk-järgult, nii et sünnihetkel on 80% hemoglobiinist HbA ja ainult 20% HbF. Pärast sündi loote hemoglobiinisisaldus langeb jätkuvalt ja 2–3 eluaastaks on see vaid 1–2%. Sama palju loote hemoglobiini on täiskasvanul. Täiskasvanu ja üle 3-aastaste laste puhul peetakse patoloogiliseks HbF-i kogust, mis ületab 2%.

Lisaks normaalsetele hemoglobiinitüüpidele on praegu teada üle 50 patoloogilise variandi. Neid nimetati esmakordselt ladina tähtedega. Täht B puudub hemoglobiinitüüpide tähistamisel, kuna see tähistas algselt HbS-i.

Hemoglobiin (Hb)- punastes verelibledes esinev kromoproteiin, mis osaleb hapniku transportimisel kudedesse. Täiskasvanute hemoglobiini nimetatakse hemoglobiiniks A (Hb A). Selle molekulmass on umbes 65 000 Da. Hb A molekulil on kvaternaarne struktuur ja see sisaldab nelja subühikut – polüpeptiidahelaid (tähistatud α1, α2, β1 ja β2, millest igaüks on seotud heemiga.

Pidage meeles, et hemoglobiin on allosteeriline valk; selle molekulid võivad pöörduvalt muutuda ühest konformatsioonist teise. See muudab valgu afiinsust ligandide suhtes. Konformatsiooni, millel on ligandi suhtes väikseim afiinsus, nimetatakse pingeks ehk T-konformatsiooniks. Ligandi suhtes suurima afiinsusega konformatsiooni nimetatakse lõdvestunud ehk R-konformatsiooniks.

Hemoglobiini molekuli R- ja T-konformatsioonid on dünaamilises tasakaalus:

Erinevad keskkonnategurid võivad seda tasakaalu ühes või teises suunas nihutada. Allosteerilised regulaatorid, mis mõjutavad Hb afiinsust O2 suhtes, on: 1) hapnik; 2) H+ kontsentratsioon (keskmine pH); 3) süsinikdioksiid (CO2); 4) 2,3-difosfoglütseraat (DPG). Hapnikumolekuli kinnitumine ühele hemoglobiini subühikutest soodustab pingelise konformatsiooni üleminekut lõdvestunud konformatsioonile ja suurendab sama hemoglobiini molekuli teiste subühikute afiinsust hapniku suhtes. Seda nähtust nimetatakse koostööefektiks. Hemoglobiini hapnikuga seondumise keerulist olemust peegeldab hemoglobiini O2 küllastuskõver, millel on S-kuju (joonis 3.1).

Joonis 3.1. Müoglobiini (1) ja hemoglobiini (2) hapnikuga küllastumise kõverad.

Molekulaarsed vormid hemoglobiin erinevad üksteisest polüpeptiidahelate struktuuri poolest. Füsioloogilistes tingimustes eksisteeriva hemoglobiini mitmekesisuse näide on loote hemoglobiin (HbF), mis esineb veres inimese embrüonaalses arengujärgus. Erinevalt HbA-st sisaldab selle molekul 2 α- ja 2 γ-ahelat (st β-ahelad on asendatud γ-ahelatega). Sellisel hemoglobiinil on suurem afiinsus hapniku suhtes. Just see võimaldab embrüol saada hapnikku ema verest läbi platsenta. Varsti pärast sündi asendatakse lapse veres HbF HbA-ga.

Ebanormaalse või patoloogilise hemoglobiini näide on juba mainitud (vt 2.4.) hemoglobiin S, mida leidub sirprakulise aneemiaga patsientidel. Nagu te juba teate, erineb see hemoglobiinist A, asendades glutamaadi β-ahelates valiiniga. See aminohappe asendus põhjustab HbS vees lahustuvuse vähenemist ja selle afiinsuse vähenemist O2 suhtes.

Nagu teate, on valgud meie planeedi elu tekke aluseks. Kuid just peptiidimolekulidest koosnev koatservaadi tilk sai elusolendite päritolu aluseks. See on väljaspool kahtlust, sest iga biomassi esindaja sisemise koostise analüüs näitab, et neid aineid leidub kõiges: taimedes, loomades, mikroorganismides, seentes, viirustes. Pealegi on nad oma olemuselt väga mitmekesised ja makromolekulaarsed.

Neil struktuuridel on neli nime, mis kõik on sünonüümid:

valgud;
valgud;
polüpeptiidid;
peptiidid.

Valgu molekulid

Nende arv on tõesti lugematu. Sel juhul võib kõik valgumolekulid jagada kahte suurde rühma:

lihtne – koosnevad ainult peptiidsidemetega ühendatud aminohappejärjestustest;
kompleks - valgu struktuuri ja struktuuri iseloomustavad täiendavad protolüütilised (proteetilised) rühmad, mida nimetatakse ka kofaktoriteks.

Samal ajal on keerukatel molekulidel ka oma klassifikatsioon.

Komplekssete peptiidide gradatsioon

Glükoproteiinid on valkude ja süsivesikute tihedalt seotud ühendid. Mukopolüsahhariidide proteesrühmad on kootud molekuli struktuuri.
Lipoproteiinid on valgu ja lipiidide kompleksühend.
Metalloproteiinid - metalliioonid (raud, mangaan, vask jt) toimivad proteesrühmana.
Nukleoproteiinid on ühendus valgu ja nukleiinhapete (DNA, RNA) vahel.
Fosfoproteiinid - valgu ja ortofosforhappe jäägi konformatsioon.
Kromoproteiinid on väga sarnased metalloproteiinidega, kuid proteesirühma kuuluv element on terve värviline kompleks (punane - hemoglobiin, roheline - klorofüll jne).

Igas vaadeldavas rühmas on valkude struktuur ja omadused erinevad. Funktsioonid, mida nad täidavad, erinevad ka sõltuvalt molekuli tüübist.

Valkude keemiline struktuur

Sellest vaatenurgast on valgud pikk, massiivne aminohappejääkide ahel, mis on omavahel ühendatud spetsiifiliste sidemetega, mida nimetatakse peptiidsidemeteks. Hapete külgstruktuuridest ulatuvad oksad, mida nimetatakse radikaalideks. Selle molekulaarstruktuuri avastas E. Fischer 21. sajandi alguses.

Hiljem hakati lähemalt uurima valke, valkude ehitust ja funktsioone. Sai selgeks, et peptiidi struktuuri moodustavad vaid 20 aminohapet, kuid neid saab kombineerida mitmel viisil. Sellest ka polüpeptiidide struktuuride mitmekesisus. Lisaks on valgud eluprotsessis ja oma funktsioonide täitmisel võimelised läbima mitmeid keemilisi muutusi. Selle tulemusena muudavad nad struktuuri ja ilmub täiesti uut tüüpi ühendus.

Peptiidsideme katkestamiseks, st valgu ja ahelate struktuuri katkestamiseks peate valima väga ranged tingimused (kõrged temperatuurid, happed või leelised, katalüsaator). See on tingitud molekuli suurest tugevusest, nimelt peptiidirühmas.

Valgu struktuuri tuvastamine laboris viiakse läbi biureedi reaktsiooni abil - kokkupuude värskelt sadestunud polüpeptiidiga (II). Peptiidrühma ja vase iooni kompleks annab eredalt lilla värvuse.

Seal on neli peamist struktuurilist organisatsiooni, millest igaühel on oma valkude struktuurilised omadused.

Organisatsiooni tasandid: esmane struktuur

Nagu eespool mainitud, on peptiid aminohappejääkide järjestus koos või ilma, koensüümid. Niisiis, esmane on molekuli struktuur, mis on looduslik, looduslik, tõeliselt aminohapped, mis on ühendatud peptiidsidemetega, ja ei midagi enamat. See tähendab, et lineaarse struktuuriga polüpeptiid. Veelgi enam, seda tüüpi valkude struktuuriomadused seisnevad selles, et selline hapete kombinatsioon on valgumolekuli funktsioonide täitmisel määrav. Tänu nende tunnuste olemasolule on võimalik mitte ainult peptiidi tuvastada, vaid ka ennustada täiesti uue, veel avastamata peptiidi omadusi ja rolli. Loodusliku primaarse struktuuriga peptiidid on näiteks insuliin, pepsiin, kümotrüpsiin jt.

Sekundaarne konformatsioon

Selle kategooria valkude struktuur ja omadused on mõnevõrra erinevad. Selline struktuur võib tekkida algselt looduse poolt või siis, kui esmane puutub kokku tugeva hüdrolüüsi, temperatuuri või muude tingimustega.

Sellel konformatsioonil on kolm sorti:

Siledad, korrapärased, stereoregulaarsed pöörded, ehitatud aminohappejääkidest, mis keerduvad ümber ühenduse peatelje. Neid hoiavad koos ainult need, mis tekivad ühe peptiidirühma hapniku ja teise peptiidrühma vesiniku vahel. Veelgi enam, struktuuri peetakse õigeks, kuna pöördeid korratakse ühtlaselt iga 4 lüli järel. Selline struktuur võib olla kas vasaku- või paremakäeline. Kuid enamikes tuntud valkudes domineerib paremale pöörav isomeer. Selliseid konformatsioone nimetatakse tavaliselt alfastruktuurideks.
Järgmist tüüpi valkude koostis ja struktuur erineb eelmisest selle poolest, et vesiniksidemed ei moodustu mitte molekuli ühe küljega külgnevate jääkide vahel, vaid oluliselt kaugemal asuvate jääkide vahel ja üsna suurel kaugusel. Sel põhjusel on kogu struktuur mitme lainelise, madulaadse polüpeptiidahela kujul. Valgul peab olema üks omadus. Aminohapete struktuur okstel peaks olema võimalikult lühike, nagu näiteks glütsiin või alaniin. Seda tüüpi sekundaarset konformatsiooni nimetatakse beeta-lehtedeks nende võime tõttu kleepuda kokku, moodustades ühise struktuuri.
Bioloogias nimetatakse kolmandat tüüpi valgu struktuuri kui keerukaid, heterogeenselt hajutatud, korrastamata fragmente, millel puudub stereoregulaarsus ja mis on võimelised välistingimuste mõjul struktuuri muutma.

Looduslikult sekundaarse struktuuriga valkude näiteid pole tuvastatud.

Kolmanda taseme haridus

See on üsna keeruline konformatsioon, mida nimetatakse "globuliks". Mis see valk on? Selle struktuur põhineb sekundaarstruktuuril, kuid lisanduvad uut tüüpi interaktsioonid rühmade aatomite vahel ja kogu molekul näib volditavat, keskendudes seega asjaolule, et hüdrofiilsed rühmad on suunatud gloobulisse ja hüdrofoobsed. need väljapoole.

See seletab valgumolekuli laengut kolloidsetes veelahustes. Milliseid interaktsioone siin esineb?

Vesiniksidemed - jäävad muutumatuks samade osade vahel, mis sekundaarstruktuuris.
interaktsioonid – tekivad siis, kui polüpeptiid lahustatakse vees.
Ioonilised atraktsioonid tekivad erinevalt laetud aminohappejääkide (radikaalide) rühmade vahel.
Kovalentsed interaktsioonid - võivad tekkida konkreetsete happeliste saitide - tsüsteiini molekulide või õigemini nende sabade vahel.

Seega võib tertsiaarse struktuuriga valkude koostist ja struktuuri kirjeldada kui polüpeptiidahelaid, mis on volditud gloobuliteks, mis säilitavad ja stabiliseerivad oma konformatsiooni tänu erinevat tüüpi keemilistele interaktsioonidele. Selliste peptiidide näited: fosfoglütseraadi kenaas, tRNA, alfa-keratiin, siidfibroiin ja teised.

Kvaternaarne struktuur

See on üks keerulisemaid valke moodustavaid gloobuleid. Seda tüüpi valkude struktuur ja funktsioonid on väga mitmetahulised ja spetsiifilised.

Mis see konformatsioon on? Need on mitmed (mõnel juhul kümned) suured ja väikesed polüpeptiidahelad, mis moodustuvad üksteisest sõltumatult. Kuid siis samade interaktsioonide tõttu, mida me käsitlesime tertsiaarse struktuuri puhul, keerduvad ja põimuvad kõik need peptiidid üksteisega. Nii saadakse komplekssed konformatsioonigloobulid, mis võivad sisaldada metalliaatomeid, lipiidirühmi ja süsivesikuid. Selliste valkude näited: DNA polümeraas, tubakaviiruse valgu kest, hemoglobiin ja teised.

Kõigil meie uuritud peptiidstruktuuridel on laboris oma identifitseerimismeetodid, mis põhinevad tänapäevastel kromatograafia, tsentrifuugimise, elektron- ja optilise mikroskoopia ning kõrgete arvutitehnoloogiate kasutamise võimalustel.

Teostatud funktsioonid

Valkude struktuur ja funktsioonid on üksteisega tihedalt seotud. See tähendab, et iga peptiid mängib spetsiifilist rolli, ainulaadset ja spetsiifilist. On ka neid, mis on võimelised ühes elusrakus tegema mitu olulist toimingut korraga. Siiski on võimalik üldistatult väljendada valgu molekulide põhifunktsioone elusorganismides:

Liikumise pakkumine. Üherakulised organismid ehk organellid või teatud tüüpi rakud on võimelised liikuma, kokku tõmbuma ja liikuma. Selle tagavad valgud, mis moodustavad nende motoorse aparatuuri struktuuri: ripsmed, lipud ja tsütoplasmaatiline membraan. Kui me räägime liikumisvõimetutest rakkudest, siis valgud võivad kaasa aidata nende kokkutõmbumisele (lihasmüosiin).
Toitumis- või varufunktsioon. See on valgumolekulide kogunemine taimede munadesse, embrüotesse ja seemnetesse, et täiendada puuduvaid toitaineid. Peptiidid toodavad lagunemisel aminohappeid ja bioloogiliselt aktiivseid aineid, mis on vajalikud elusorganismide normaalseks arenguks.
Energiafunktsioon. Lisaks süsivesikutele võivad kehale jõudu anda ka valgud. 1 g peptiidi lagunemisel vabaneb adenosiintrifosforhappe (ATP) kujul 17,6 kJ kasulikku energiat, mis kulub elutähtsatele protsessidele.
Signaliseerimine seisneb toimuvate protsesside hoolikas jälgimises ja signaalide edastamises rakkudest kudedesse, nendest organitesse, viimastest süsteemidesse jne. Tüüpiline näide on insuliin, mis määrab rangelt glükoosisisalduse veres.
Retseptori funktsioon. See viiakse läbi peptiidi konformatsiooni muutmisega membraani ühel küljel ja teise otsa kaasamisega ümberstruktureerimisse. Samal ajal edastatakse signaal ja vajalik teave. Enamasti on sellised valgud põimitud rakkude tsütoplasmaatilistesse membraanidesse ja kontrollivad rangelt kõiki neid läbivaid aineid. Samuti annavad need teavet keemiliste ja füüsikaliste muutuste kohta keskkonnas.
Peptiidide transpordifunktsioon. Seda viivad läbi kanalivalgud ja transportervalgud. Nende roll on ilmne – vajalike molekulide transportimine kõrge kontsentratsiooniga osadest madala kontsentratsiooniga kohtadesse. Tüüpiline näide on hapniku ja süsinikdioksiidi transport läbi elundite ja kudede valgu hemoglobiini abil. Samuti viivad nad madala molekulmassiga ühendeid läbi rakumembraani sisemusse.
Struktuurne funktsioon. Üks tähtsamaid funktsioone, mida valk täidab. Kõigi rakkude ja nende organellide struktuuri tagavad peptiidid. Need, nagu raam, määravad kuju ja struktuuri. Lisaks toetavad nad seda ja vajadusel muudavad seda. Seetõttu vajavad kõik elusorganismid kasvuks ja arenguks oma toidus valke. Selliste peptiidide hulka kuuluvad elastiin, tubuliin, kollageen, aktiin, keratiin ja teised.
Katalüütiline funktsioon. Seda teostavad ensüümid. Need on arvukad ja mitmekesised, kiirendavad kõiki keemilisi ja biokeemilisi reaktsioone kehas. Ilma nende osaluseta suudetaks tavaline maos olev õun seedida vaid kahe päevaga, mis tõenäoliselt selle käigus mädaneb. Katalaasi, peroksidaasi ja teiste ensüümide mõjul toimub see protsess kahe tunni jooksul. Üldiselt toimub just tänu valkude sellele rollile anabolism ja katabolism, st plastiline ja

Kaitsev roll

On mitut tüüpi ohte, mille eest valgud on loodud keha kaitsma.

Esiteks traumaatilised reaktiivid, gaasid, molekulid, erineva toimespektriga ained. Peptiidid suudavad nendega keemiliselt suhelda, muutes need kahjutuks või lihtsalt neutraliseerides.

Teiseks haavadest tulenev füüsiline oht – kui fibrinogeeni valk ei muutu vigastuskohas õigel ajal fibriiniks, siis veri ei hüübi, mis tähendab, et ummistust ei teki. Siis, vastupidi, vajate peptiidplasmiini, mis võib trombi lahustada ja taastada anuma läbilaskvuse.

Kolmandaks, oht immuunsusele. Immuunkaitset moodustavate valkude struktuur ja tähtsus on äärmiselt olulised. Antikehad, immunoglobuliinid, interferoonid – kõik need on inimese lümfi- ja immuunsüsteemi olulised ja olulised elemendid. Kõik võõrosakesed, kahjulikud molekulid, raku surnud osad või kogu struktuur alluvad kohesele peptiidühendile uurimisele. Seetõttu saab inimene iseseisvalt, ilma ravimite abita end igapäevaselt kaitsta infektsioonide ja lihtsate viiruste eest.

Füüsikalised omadused

Rakuvalgu struktuur on väga spetsiifiline ja sõltub täidetavast funktsioonist. Kuid kõigi peptiidide füüsikalised omadused on sarnased ja taanduvad järgmistele omadustele.

Molekuli kaal on kuni 1 000 000 daltonit.
Vesilahuses moodustuvad kolloidsüsteemid. Seal omandab struktuur laengu, mis võib varieeruda olenevalt keskkonna happesusest.
Kui nad puutuvad kokku karmide tingimustega (kiiritus, hape või leelis, temperatuur jne), on nad võimelised liikuma muudele konformatsioonitasemetele, st denatureerima. See protsess on 90% juhtudest pöördumatu. Siiski on ka vastupidine nihe – renaturatsioon.

Need on peptiidide füüsikaliste omaduste peamised omadused.