Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Свойства белков

Введение

Белки - это высокомолекулярные вещества, состоящие из остатков б-аминокислот, связанных между собой пептидными связями. Мономерами белков являются б - аминокислоты L - ряда. Аминокислотный состав белков определяется назначением белка, его биологической функцией.

Образование молекулы белка происходит за счет взаимодействия карбоксильной группы одной б - аминокислоты с аминогруппой другой кислоты с образованием пептидной связи.

Цепь состоит из чередующихся пептидных (амидных) и метановых групп. Метановые СН - группы связаны с боковыми радикалами аминокислот. Аминокислотный остаток со свободной аминогруппой на одном конце цепи называют N - концевым, а аминокислотный остаток со свободной карбоксильной группой на другом конце цепи - С - концевым [2,4]. Белковые молекулы содержат от 100 до 1500 аминокислотных остатков (более короткие цепи называют пептидами).

Структура полипептида:

Классификация белков

1. По степени сложности строения:

- Простые (протеины) состоят только из белковой части и при гидролизе дают аминокислоты;

- Сложные (протеиды) в состав входят добавочные группы небелковой природы (простетическая группа): в нуклеопротеидах нуклеиновые кислоты, в фосфопротеидах - H₃PO₄ , в гликопротеидах - углеводы, в липопротеидах какой-либо липид, в хромопротеидах - окрашенные соединения (гем) и др.

2. По форме белковой молекулы:

- Фибриллярные -- белки с наиболее выраженной вторичной структурой строения, нерастворимы в воде, отличаются большой механической прочностью. Представляют собой длинные параллельные полипептидные цепи, скрепленные друг с другом поперечными сшивками, образуют длинные волокна или слоистые структуры. Выполняют в клетках и организме структурные функции: коллаген (сухожилия, кости, соединительная ткань), миозин (мышцы), фиброин (шелк, паутина), кератин (волосы, ногти).

- Глобулярные - белки с наиболее выраженной третичной структурой, полипептидные цепи свернуты в компактные глобулы. Растворимы - легко образуют коллоидные растворы. Выполняют функции ферментов, антител и в некоторых случаях гормонов (инсулин) и т.д.

- Промежуточные - белки фибриллярной природы, но растворимые. Примером может служить фибриноген, превращающийся в нерастворимы фибрин при свертывании крови.

3. По биологическим функциям:

- структурные - строительный материал тканей (коллаген, кератин,

- эластин, белки оболочки вирусов);

- ферменты - каталитические белки, с регулируемой активностью (трипсин, глутаминсинтетаза);

- гормоны - регуляция обмена веществ, стимулирование роста (инсулин, глюкагон, АКТГ);

- дыхательные пигменты - перенос и запасание кислорода (гемоглобин, миоглобин);

- транспортные - транспорт веществ (сывороточный альбумин);

- защитные - защита организма от чужеродных соединений, бактерий, вирусов, свертывание крови (антитела, фибриноген, тромбин);

- сократительные - механический процесс сокращения с использованием химической энергии (миозин, актин);

- запасные - запас питательных веществ (яичный альбумин, казеин);

- токсины - змеиный яд, дифтерийный токсин [1, 3 ,4].

Структура белков

Каждому белку свойственна своя особая геометрическая форма, или конформация. Для описания трехмерной структуры белков рассматривают обычно четыре уровня организации белковой молекулы. Структура большинства белков состоит из трех уровней.

Первичная структура

Первичная структура -- последовательность аминокислот в полипептидной цепи.

Такая структура специфична для каждого белка и определяется генетической информацией, т. е. зависит от последовательности нуклеотидов в участке молекулы ДНК, кодирующем данный белок. От первичной структуры зависят все свойства и функции белков.

Замена одной-единственной аминокислоты в составе молекул белка или нарушение порядка в их расположении обычно влечет за собой изменение функции белка.

Учитывая, что в состав белков входит 20 видов аминокислот, число вариантов их комбинаций в полипептидной цепи поистине безгранично, что обеспечивает огромное количество видов белков в живых клетках.

Например, в организме человека обнаружено более 10 тыс. различных белков, и все они построены из одних и тех же 20 основных аминокислот.



Рисунок 1 - Первичная структура белковой молекулы.

Объединение аминокислот в полимерную цепь происходит в живом организме под управлением нуклеиновых кислот, именно они обеспечивают строгий порядок сборки и регулируют фиксированную длину полимерной молекулы [1, 3 ,4].

Вторичная структура

Определяется способом укладки полипептидной цепи в пространстве. Первые исследования по изучению вторичной структуры белка были начаты в 1939 году Л. Полингом и Р. Кори. Позднее Полинг доказал существование двух типов стабильных структур: б спираль и в - складчатая структура (в- складчатый слой).

Конфигурацию вторичной структуры белка определяет первичная. Алании, лизин, глутаминовая кислота, глутамин, гистидин сформируют на данном участке б - спираль. Наличие валина, изолейцина, фенилаланина, треонина в структуре способствует образованию в- складчатой структуры.

б-Спираль. Белковая молекула сворачивается в спираль с помощью водородных связей, возникающих между находящимися поблизости друг от друга - С=0 и NH-группами. Атом водорода NH-группы одной аминокислоты образует такую связь с атомом кислорода С=0 - группы другой аминокислоты, отстоящей от первой на четыре аминокислотных остатка.

Таким образом, аминокислота 1 оказывается связанной с аминокислотой 5, аминокислота 2-саминокислотой 6 и т. д.

Рентгеноструктурный анализ показывает, что на один виток спирали приходится 3,6 аминокислотного остатка. Радикалы аминокислотных остатков находятся снаружи спирали и не участвуют в поддерживании данной конфигурации. В природе существуют только правозакрученные б -спирали, так как они построены из L-стереоизомеров а- аминокислот. б - Спиральную конформацию и, следовательно, фибриллярную структуру имеет белок кератин. Мышечный белок тропомиозин почти на 100% состоит из б -спиралей, в альбумине сыворотки крови - 50 % б -спиралей, а в нейротоксинах змей - полностью отсутствуют а- спиральные участки.

Рисунок 2 - Вторичная структура белка. б-Спираль.

Полностью a-спиральную конфигурацию имеет белок кератин. Это структурный белок волос, ногтей, когтей, клюва, перьев и рогов; он входит в состав наружного слоя кожи позвоночных.

в-Складчатая структура. Структура имеет линейную кофигурацию. Такое строение удерживается благодаря образованию водородных связей между пептидными группами (-C=O, NH), но уже параллельно расположенных участков двух или более полипептидных цепей. Поскольку полипептидная цепь имеет направление, возможны варианты, когда направление цепей совпадает (параллельная в-структура), либо они противоположны (антипараллельная в-структура).

Рисунок 3 - Параллельная в - структура.

Рисунок 4 - Антипараллельная в - структура.

Большинство белков содержат как б-спирали, так и в-структуры, а также одиночные полипептидные цепи. Их взаиморасположение и чередование в полимерной цепи называют третичной структурой белка [3 , 4].

Третичная структура

Это трёхмерная конфигурация б-спиралей и в-структур в пространстве или способ укладки полипептидной цепи в определённом объёме. Наиболее организованная структура, в стабилизации которой участвуют боковые радикалы б-аминокислотных остатков, которые сближаются в пространстве за счёт изгибов полипептидной цепи. В стабилизации пространственной структуры белка участвуют ковалентные связи - пептидные и дисульфидные (между атомами серы в цистеине), и нековалентные связи - ионные взаимодействия между противоположно заряженными группами, водородные связи, межмолекулярные ван-дер-ваальсовы взаимодействия между неполярными радикалами (гидрофобные взаимодействия) и т.д. (рис. 5) [1 , 4].

Рисунок 5 - Полипептидная связь

.

Рисунок 6 - Третичная структура белковой молекулы.

Четвертичная структура

Несколько отдельных полипептидных цепей (сохраняющих третичную структуру) способны соединяться нековалентными связями (ионные взаимодействия, водородные связи, межмолекулярные ван-дер-ваальсовые взаимодействия и т.д.) и образовывать более сложные макромолекулы.

Каждую отдельную цепь называют мономером или субъединицей, а образовавшуюся макромолекулу олигомером. Олигомерные молекулы чаще построены из чётного числа мономеров (2, 4 реже 6, 8 и т.д.) и обладают биологической активностью, несвойственной отдельно взятым субъединицам.

Рисунок 7 - Молекула гемоглобина (четвертичная структура)

Молекулы гемоглобина состоит из 4 субъединиц, состоящих из белка глобина и железопорфина - гема. Субъединицы рыхло связаны между собой нековалентными связями и легко диссоциируют под влиянием амидов, повышенной концентрации солей и.т.д. Пространственные структуры глобин во многом аналогичны, они образуют «гидрофильные карманы» ,в которых размещены молекулы гемма. По форме гемоглобин соответствует глобулярным белкам и представляет собой объёмистую упаковку для переноса сразу четырёх молекул кислорода [3 , 4].

Физические свойства

В состав белка входят сотни и даже тысячи аминокислотных остатков, объединенных в макромолекулярную структуру. Молекулярные массы белков варьируются в очень широких пределах: от 10 000 до 1 000 000 (и выше), зависят от молекулярной структуры белка.

Белковые вещества разнообразны по своему агрегатному состоянию. Часто это кристаллические вещества в виде белых порошков. Белки шерсти (кератин) и шелка (фиброин) прочные волокна. Многие белки имеют консистенцию вязких жидкостей или студней.

Растворимость белков зависит от свойств аминокислотных остатков, особенностей организации молекулы и от природы растворителя. При растворении в воде молекула белка (заряженная частица), притягивает к себе диполи воды, которые располагаются вокруг белковой молекулы и образуют гидратную оболочку. Эта оболочка предохраняет молекулы белка от склеивания, выпадения в осадок и способствует образованию коллоидных растворов.

Белки в водном растворе проявляют гидрофильные свойства: набухают, их масса и объём увеличиваются. Водные растворы белков оптически активны (вращают плоскость поляризованного света), способны рассеивать свет (опалесценция) и имеют низкое осмотическое давление.

Имеются белки совершенно не растворимые в воде. Все белки не растворимы в органических растворителях.

Белки способны адсорбировать на своей поверхности (а иногда и захватывать внутрь) некоторые низкомолекулярные вещества и ионы (гормоны, витамины, железо, медь), которые либо плохо растворимы в воде, либо являются токсичными (билирубин, свободные жирные кислоты). Белки транспортируют по крови к местам дальнейших превращений или обезвреживания [3 , 4].

Химические свойства

1. Кислотно-основные свойства

Белки, как и б-аминокислоты, являются амфотерными соединениями. Свойство амфотерности лежит в основе буферных свойств белков и их участии в регуляции pH крови. Кислотно-основные превращения в молекулах белков сопровождаются изменением их конформации, а следовательно, и изменением их биологических и физиологических свойств.

Рисунок 8 - Кислотно-основные превращения в молекулах белков

В зависимости от реакции среды и соотношения кислых и основных б-аминокислот белки в растворе несут или отрицательный, или положительный заряд, перемещаясь к аноду или катоду. Это свойство используется при очистке белков методом электрофореза.

2. Гидролиз

Характерной реакцией для белков является гидролиз пептидных связей до аминокислот. Белки нацело гидролизуются H₂SO₄ (конц) при н.у. или 2% HCl при нагревании и повышенном давлении. Гидролиз белков является способом выделения аминокислот.

Рисунок 9 - Гидролиз молекулы белка

В организме гидролиз белка осуществляется под действием ферментов пептидаз и строго контролируются.

Ферментативный гидролиз (протолиз) протекает в любой клетке организма. В желудочно-кишечном тракте локализованы протеолитические ферменты различной специфичности.

В желудочном соке находится фермент пепсин (от греческого pepsis - пищеварение). Он быстро гидролизует в белках пептидные связи, образованные ароматическими б -аминокислотами (фенилаланин, тирозин, триптофан), и медленнее пептидные связи образованные лейцином, аспарагиновой и глутаминовой кислотами.

Протеолиз в кишечнике обеспечивает ряд ферментов: трипсин (от греческого thrypsis - разжижение), химотрипсин и другие. Аминокислоты, образуемые в результате гидролиза белков пиши, уже через 15 минут обнаруживаются в крови. Максимальная концентрация аминокислот достигается через 30-35 минут после приёма белка с пищей.

Всасывание аминокислот происходит, главным образом, в тонком кишечнике, где функционируют специфические системы транспорта аминокислот. Кровотоком аминокислоты транспортируются во все ткани и органы.

3. Денатурация

Под действием температуры, сильных кислот и оснований, органических растворителей, облучение УФ и рентгеновскими лучами, и даже при сильном механическом перемешивании растворов может происходить процесс разрушения пространственной (нативной) конформации белка - денатурация.

Денатурация, как правило, затрагивает четвертичную, третичную и частично вторичную структуры белковой молекулы и не сопровождается какими-либо изменениями первичной структуры. При определенных условиях денатурированный белок можно частично или полностью вернуть к исходному состоянию - ренатурация. Денатурация необратима при нарушении первичной структуры белка (свертывание яичного альбумина при варке яиц) [1].

Все денатурированные молекулы одного белка приобретают случайную конформацию, отличающуюся от других молекул того же белка. Радикалы аминокислот, формирующие активный центр, оказываются пространственно удаленными друг от друга, т.е. разрушается специфический центр связывания белка с лигандом.[3 , 4].

Качественные реакции

Цветные реакции на белки и б-аминокислоты являются качественными реакциями и обусловлены специфическими группами в радикале. Некоторые из таких реакций широко используются в биохимической практике для изучения структуры и б-аминокислотного состава белков, их количественного определения.

Существует два типа цветных реакций:

1. Универсальные на все б-аминокислоты и белки;

2. Специфические только на определённые б-аминокислоты.

Универсальные реакции

Биуретовая реакция

Биуретовая реакция обнаружения пептидных связей в белках. В реакцию вступают все вещества, содержащие в молекуле не менее двух пептидных связей, так как для неё возможна лактам-лактимная таутомерия.

При взаимодействии белка со свежеприготовленным раствором гидроксида меди (II) образуется хелатный комплекс фиолетового цвета:

Нингидриновая реакция

Это общая качественная реакция на аминогруппу в б-аминокислотах. При нагревании б-аминокислот с избытком нингидрина происходит дезаминирование, декарбоксилирование и превращение её в альдегид. Выделившийся аммиак конденсируется с двумя молекулами нингидрина.

Специфические

Ксантопротеиновая реакция

Используется для обнаружения ароматических и гетероциклических б -аминокислот (фенилаланин, тирозин, триптофан, гистидин). При нагревании белка с концентрированной азотной кислотой образуются нитропроизводные, окрашенные в желтый цвет. При добавлении к ним водной щелочи окраска становится оранжевой.

Реакция Фоля

Реакция подтверждает присутствие в белках серосодержащих б-аминокислот (цистеина, цистина, метионина). При кипячении белка со щелочью от цистеина легко отщепляется сера с образованием сульфида натрия Na₂S. Последний, взаимодействуя с ацетатом свинца (CH₃COO)₂Pb, образует осадок сульфида свинца PbS черного цвета.



Существуют качественные реакции, позволяющие обнаружить отдельные б-аминокислоты.

Реакция Милона

Используется для обнаружения тирозина, в составе которого имеется фенольный гидроксил. При добавлении к раствору белка реактива Милона (раствор HgNO₃ и Hg(NO₃)₂ в разбавленной HNO₃, содержащей примесь HNO₂) образуется осадок, сначала окрашенный в розовый, а затем в пурпурно-красный цвет. Нагревание до 50°С ускоряет эту реакцию.

Реакция Паули

Используется для определения имидазольного кольца (гистидин, гистамин). В имидазоле возможна таутомерия азолов, связанная с переходом атома водорода между атомами азота.

При смешении раствора белка со свежеприготовленным раствором 4-диазобензолсульфокислоты в присутствии Na₂CO₃ получают вишнёво-красное окрашивание, в результате реакции газосочетания.

Реакция Эрлиха

При взаимодействии белка с 4-(N,N-диметиламино)бензальдегидом (реактив Эрлиха) в кислой среде определяют наличие триптофана. Это цветная реакция на индол.

Реакция Ваунзене

Триптофан, содержащийся в белке, конденсируется с формальдегидом, а затем окисляется нитритом натрия до соединения, которое в присутствии минеральных кислот образует соли сине-фиолетового цвета.



Реакция Адамкевича

Реакция также используется для обнаружения триптофана в белках. Индольное кольцо триптофана взаимодействует в кислой среде с альдегидной группой глиоксиловой кислоты (являющейся примесью в ледяной уксусной кислоте) с образованием продуктов конденсации красно-фиолетового цвета.

Реакция Сакагучи

Реакцию используют для определения аргинина в белке. Гуанидиновая группа аргинина сначала окисляется NaOBr, и уже окисленный аргинин при взаимодействии с б-нафтолом образует продукт конденсации красного цвета.[1]

Биологическая роль белков

Структурная. Белки входят в состав клеточных мембран и матрикса органелл клетки. Стенки кровеносных сосудов, хрящи, сухожилия, волосы, ногти, когти у высших животных состоят преимущественно из белков.

Каталитическая (ферментативная). Белки-ферменты катализируют протекание всех химических реакций в организме. Они обеспечивают расщепление питательных веществ в пищеварительном тракте, фиксацию углерода при фотосинтезе и т. д.

Транспортная. Некоторые белки способны присоединять и переносить различные вещества. Альбумины крови транспортируют жирные кислоты, глобулины --- ионы металлов и гормоны, гемоглобин -- кислород и углекислый газ. Молекулы белков, входящие в состав плазматической мембраны, принимают участие в транспортировке веществ в клетку.

Защитная. Ее выполняют иммуноглобулины (антитела) крови, обеспечивающие иммунную защиту организма. Фибриноген и тромбин участвуют в свертывании крови и предотвращают кровотечение.

Сократительная. Благодаря скольжению относительно друг друга актиновых и миозиновых протофибрилл происходит сокращение мышц, а также немышечные внутриклеточные сокращения. Движение ресничек и жгутиков связано со скольжением относительно друг друга микротрубочек, имеющих белковую природу.

Регуляторная. Многие гормоны являются олигопептидами или бедками (например, инсулин, глюкагон [антагонист инсулина], адренокортикотропный гормон и др.).

Рецепторная. Некоторые белки, встроенные в клеточную мембрану, способны изменять свою структуру под воздействием внешней среды. Так происходит прием сигналов извне и передача информации в клетку. Примером может служить фито-хром --- светочувствительный белок, регулирующий фотопериодическую реакцию растений, и опсин -- составная часть родопсина, пигмента, находящегося в клетках сетчатки глаза.

Энергетическая. Белки могут служить источником энергии в клетке (после их гидролиза). Обычно белки расходуются на энергетические нужды в крайних случаях, когда исчерпаны запасы углеводов и жиров.

Список использованных источников

белок реакция органический соединение

1. Биохимия: учебник для студентов медицинских вузов / под ред. Е.С. Северин. - 5-е изд., испр. - М.: ГЭОТАР - Медиа, 2008. - 784 с.

2. Органическая химия: учеб.для вузов: В 2 кн. Кв.2Специальный курс / Н.А. Тюкавкина, С.Э. Зурабян, В.Л. Белобородое и др.; под ред. Н.А. Тюкавкиной. - 2-е изд., стереотипное. - М. : Дрофа, 2009. - 592с.

3. Тейлор Д., Грин Н., Стаут У. Биология: В 3-х т. Т. 1: Пер. с англ./ Под ред. Р. Сопера - 3-е изд., - М.: Мир,2008. - 454 с.

4. Химия биологически активных соединений: учебное пособие / И.Л. Филимонова, Г.А. Жолобова, А.С. Галактионова, М.С. Юеубов, - 2-е изд., стереотипное. - Томск: СибГМУ, 2012. - 162 с.

Размещено на Allbest.ru

...