Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

физический факультет кафедра общей физики 
 
 
 
 

ДОКЛАД

На тему: 
 
 
 
 

«Денатурация белков под  действием ионных детергентов» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнила студентка группы 505

Даренская Татьяна Владимировна 
 
 
 
 
 
 
 

Москва – 2010

Оглавление 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Белки и их структуры.

    Белки - полимерные молекулы, в которых мономерами служат аминокислоты. Пептидные цепи содержат десятки, сотни и тысячи аминокислотных остатков, соединённых прочными пептидными связями. За счёт внутримолекулярных взаимодействий белки образуют определённую пространственную структуру, называемую "конформация белков". Линейная последовательность аминокислот в белке содержит информацию о построении трёхмерной пространственной структуры. Различают 4 уровня структурной организации белков, называемых первичной, вторичной, третичной и четвертичной структурами (рис. 1.1). Существуют общие правила, по которым идёт формирование пространственных структур белков.

Рис. 1.1 - Этапы формирования конформации белков. 1 - первичная структура; 2 - вторичная структура; 3 - третичная структура; 4 - четвертичная структура.

    Аминокислотные  остатки в пептидной цепи белков чередуются не случайным образом, а  расположены в определённом порядке. Линейную последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи называют "первичная структура белка".

    Каждый  из 50 000 индивидуальных белков организма  человека имеет уникальную для данного  белка первичную структуру. Все  молекулы данного индивидуального  белка имеют одинаковое чередование  аминокислотных остатков в белке, что  в первую очередь отличает данный индивидуальный белок от любого другого.

    Линейные  полипептидные цепи индивидуальных белков за счёт взаимодействия функциональных групп аминокислот приобретают  определённую пространственную трёхмерную структуру, называемую "конформация". Все молекулы индивидуальных белков (т.е. имеющих одинаковую первичную структуру) образуют в растворе одинаковую конформацию. Следовательно, вся информация, необходимая для формирования пространственных структур, находится в первичной структуре белков.

    В белках различают 2 основных типа конформации полипептидных цепей: вторичную и третичную структуры.

    Вторичная структура белков - пространственная структура, образующаяся в результате взаимодействий между функциональными группами, входящими в состав пептидного остова. При этом пептидные цепи могут приобретать регулярные структуры двух типов: α-спираль и β-структура.

     В α-спирали пептидный остов закручивается в виде спирали за счёт образования водородных связей между атомами кислорода карбонильных групп и атомами азота аминогрупп, входящих в состав пептидных групп через 4 аминокислотных остатка. Водородные связи ориентированы вдоль оси спирали (рис. 1.2). На один виток α-спирали приходится 3,6 аминокислотных остатка.

    В образовании водородных связей участвуют  практически все атомы кислорода и водорода пептидных групп. В результате α-спираль "стягивается" множеством водородных связей. Несмотря на то, что данные связи относят к разряду слабых, их количество обеспечивает максимально возможную стабильность α-спирали. Так как все гидрофильные группы пептидного остова обычно участвуют в образовании водородных связей, гидрофильность (т.е. способность образовывать водородные связи с водой) α-спиралей уменьшается, а их гидрофобность увеличивается.

     β -Структура формируется за счёт образования множества водородных связей между атомами пептидных групп линейных областей одной полипептидной цепи, делающей изгибы, или между разными полипептидными цепями, β-Структура образует фигуру, подобную листу, сложенному "гармошкой", - β-складчатый слой (рис. 1.3).

Рис. 1.3 - Вторичная структура белков в виде β-складчатого слоя. 

    Когда водородные связи образуются между  атомами пептидного остова различных  полипептидных цепей, их называют межцепочечными связями. Водородные связи, возникающие  между линейными участками внутри одной полипептидной цепи, называют внутрицепочечными. В b-структурах водородные связи расположены перпендикулярно полипептидной цепи.

    Третичная структура белков - трёхмерная пространственная структура, образующаяся за счёт взаимодействий между радикалами аминокислот, которые могут располагаться на значительном расстоянии друг от друга в полипептидной цепи.

    При укладке полипептидная цепь белка  стремится принять энергетически  выгодную форму, характеризующуюся  минимумом свободной энергии. Поэтому гидрофобные радикалы аминокислот стремятся к объединению внутри глобулярной структуры растворимых в воде белков. Между ними возникают так называемые гидрофобные взаимодействия, а также силы ван дер Ваальса между близко прилегающими друг к другу атомами. В результате внутри белковой глобулы формируется гидрофобное ядро. Гидрофильные группы пептидного остова при формировании вторичной структуры образуют множество водородных связей, благодаря чему исключается связывание с ними воды и разрушение внутренней, плотной структуры белка.

    Гидрофильные  радикалы аминокислот стремятся  образовать водородные связи с водой  и поэтому в основном располагаются  на поверхности белковой молекулы.

    Все гидрофильные группы радикалов аминокислот, оказавшиеся внутри гидрофобного ядра, взаимодействуют друг с другом с помощью ионных и водородных связей.

    Ионные  связи могут возникать между отрицательно заряженными (анионными) карбоксильными группами радикалов аспарагиновой и глутаминовой кислот и положительно заряженными (катионными). Водородные связи возникают между гидрофильными незаряженными группами (такими как -ОН, -CONH₂, SH-группы) и любыми другими гидрофильными группами. Белки, функционирующие в неполярном (липидном) окружении, например белки мембран, имеют обратное устройство: гидрофильные радикалы аминокислот расположены внутри белка, в то время как гидрофобные аминокислоты локализованы на поверхности молекулы и контактируют с неполярным окружением. В каждом случае радикалы аминокислот занимают наиболее выгодное биоэнергетическое положение.

    Третичную структуру некоторых белков стабилизируют  дисульфидные связи, образующиеся за счёт взаимодействия SH-групп двух остатков цистеина. Эти два остатка цистеина могут находиться далеко друг от друга в линейной первичной структуре белка, но при формировании третичной структуры они сближаются и образуют прочное ковалентное связывание радикалов.

    Большинство внутриклеточных белков лишено дисульфидных связей. Однако такие связи распространены в белках, секретируемых клеткой  во внеклеточное пространство. Полагают, что эти ковалентные связи стабилизируют кон-формацию белков вне клетки и предотвращают их денатурацию. К таким белкам относят гормон инсулин и иммуноглобулины.

    Все белки с одинаковой первичной  структурой, находящиеся в одинаковых условиях, приобретают одинаковую, характерную для данного индивидуального белка конформацию, определяющую его специфическую функцию. Функционально активную конформацию белка называют "нативная структура".

    Если  полипептидная цепь белка содержит более 200 аминокислот, как правило, её пространственная структура сформирована в виде двух или более доменов. Домен - участок полипептидной цепи, который в процессе формирования пространственной структуры приобрёл независимо от других участков той же цепи кон-формацию глобулярного белка. Так, лёгкая цепь иммуноглобулина G состоит из двух доменов. В некоторых случаях доменами называют отдельные структурные участки полипептидной цепи.

    Домены  обычно можно выделить, действуя на белок протеолитическими ферментами, легко разрывающими пептидные связи на участке полипептидной цепи, расположенной между доменами. После этого некоторые домены могут сохранять свои биологические свойства.

    Многие  белки содержат в своём составе  только одну полипептидную цепь. Такие  белки называют мономерами. К мономерным относят и белки, состоящие из нескольких цепей, но соединённых ковалентно, например дисульфидными связями (поэтому инсулин следует рассматривать как мономерный белок).

    В то же время существуют белки, состоящие  из двух и более полипептидных цепей. После формирования трёхмерной структуры каждой полипептидной цепи они объединяются с помощью тех же слабых взаимодействий, которые участвовали в образовании третичной структуры: гидрофобных, ионных, водородных.

    Количество  и взаиморасположение полипептидных цепей в пространстве называют "четвертичная структура белков". Отдельные полипептидные цепи в таком белке носят название протомеров, или субъединиц. Белок, содержащий в своём составе несколько протомеров, называют олигомерным. В состав олигомерных белков может входить от двух до нескольких десятков протомеров, хотя наиболее часто встречают белки, содержащие от двух до четырёх полипептидных цепей (димерные, тетрамерные белки).

      Белки играют центральную роль в реализации и регуляции практически всех процессов жизнедеятельности, протекающих в организмах на молекулярном уровне, поэтому проблема взаимосвязи структуры и функции белковых макромолекул является одной из центральных в современной науке. Для того чтобы белки эффективно осуществляли свои функции, необходима определенная стабильность белковой макромолекулы. Белковые макромолекулы способны претерпевать структурные перестройки под действием различных агентов.

2. Денатурация белков

    Разрыв  большого количества слабых связей в  молекуле белка приводит к разрушению её нативной конформации. Так как разрыв связей под действием различных факторов носит случайный характер, то молекулы одного индивидуального белка приобретают в растворе форму случайно сформировавшихся беспорядочных клубков, отличающихся друг от друга трёхмерной структурой. Потеря нативной конформации сопровождается утратой специфической функции белков. Этот процесс носит название денатурации белков. При денатурации белков не происходит разрыва пептидных связей, т.е. первичная структура белка не нарушается.

    В денатурированном белке гидрофобные  радикалы, которые в нативной структуре  молекулы спрятаны внутри гидрофобного ядра, оказываются на поверхности. При  достаточно высокой концентрации белка  и отсутствии сильного отталкивающего заряда молекулы могут объединяться друг с другом гидрофобными взаимодействиями, при этом растворимость белка снижается и происходит образование осадка.

    Компактная, плотная пространственная структура  нативного белка при денатурации  резко увеличивается в размерах и становится легко доступной для расщепления пептидных связей протеолитическими ферментами. Термическая обработка мясной пищи перед употреблением не только улучшает её вкусовые качества, но и облегчает её ферментативное переваривание в пищеварительной системе. Кроме того, денатурирующим действием на пищевые белки обладает и кислая среда желудка, вызывающая денатурацию тех белков, которые не подвергались предварительной температурной обработке, а также оказывает денатурирующее действие на белки микроорганизмов, попавших в желудок с пищей.

    Денатурацию белков вызывают факторы, способствующие разрыву гидрофобных, водородных и  ионных связей, стабилизирующих конформацию белков:

• высокая температура (более 50 °С), увеличивающая тепловое движение атомов в молекуле и приводящая к разрыву слабых связей;
• интенсивное встряхивание раствора, приводящее к соприкосновению белковых молекул с воздушной средой на поверхности раздела фаз и изменению конформации этих молекул;
• органические вещества (например, этиловый спирт, фенол и его производные) способны взаимодействовать с функциональными группами белков, что приводит к их конформационным изменениям. Для денатурации белков в биохимических исследованиях часто используют мочевину или гуанидинхлорид, которые образуют водородные связи с амино- и карбонильными группами пептидного остова и некоторыми функциональными группами радикалов аминокислот. Происходит разрыв связей, участвующих в формировании вторичной и третичной структуры нативных белков, и образование новых связей с химическими реагентами;
• кислоты и щелочи, изменяя рН среды, вызывают перераспределение связей в молекуле белка;
• соли тяжёлых металлов (такие как медь, ртуть, серебро, свинец и др.) образуют прочные связи с важными функциональными группами белков (чаще всего с -SH), изменяя их конформацию и активность;
• детергенты - вещества, содержащие гидрофобный углеводородный радикал и гидрофильную функциональную группу (такие вещества называют амфифильными).