Качественные реакции на белки

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ 3

КЛАССИФИКАЦИЯ БЕЛКОВ 4

СТРУКТУРА БЕЛКА 6

Первичная структура 6

Вторичная структура 7

Третичная структура 8

Четвертичная структура 8

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА 10

Кислотно-основные свойства 10

Обратимое осаждение (высаливание) белков 10

Необратимое осаждение белков (денатурация) 11

Гидролиз 12

КАЧЕСТВЕННЫЕ РЕАКЦИИ НА БЕЛКИ 13

Универсальные 13

Специфические 14

БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ БЕЛКОВ 18

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

 

Белки или протеины (от греч. Proteios – «первый») – класс сложных азотсодержащих соединений, построенных из остатотков α-аминокислот, соединенных пептидной (амидной) связью –CO – NH - . Формально белковую молекулу можно рассматривать как продукты, возникающие в результате поликонденсации α-аминокислот. Белковые молекулы содержат от 100 до 1500 аминокислотных остатков (более короткие цепи называют пептидами).

Общая формула:

где R – атом водорода или какая-нибудь органическая группа.

В природе существует примерно 1010-1012 различных белков, обеспечивающих жизнедеятельность организмов всех степей сложности, от вирусов до человека, они обеспечивают жизнь более 2 млн. видам организмов. Белками являются ферменты, антитела, многие гормоны и другие биологически активные вещества. Необходимость постоянного обновления белков лежит в основе обмена веществ. Именно поэтому белки и явились тем исключительным материалом, который послужил основой возникновения жизни на Земле. Ни одно вещество  биологического происхождения не имеет столь большого значения  и не обладает столь разнообразным набором  функций в жизни организма как белки.

 

 

 

КЛАССИФИКАЦИЯ БЕЛКОВ

 

 

Из-за относительно больших размеров белковых молекул, сложности их строения и разнообразия функций существуют разные подходы к классификации белков:

1. По степени сложности строения:

• простые (протеины) состоят только из белковой части и при гидролизе дают аминокислоты (Гистоны, протамины, глютелины, проламины и др)

• сложные (протеиды) в состав входят добавочные группы небелковой природы (простетическая группа). В зависимости от химической природы простетических групп среди сложных белков выделяют следующие классы:

1. Гликопротеины – содержат углеводные остатки;
2. Липопротеины - липиды;
3. Нуклеопротеиды - ДНК или РНК (хроматин);
4. Фосфопротеины - остатки фосфорной кислоты;
5. Хромопротеиды – окрашенные простетические группы различной химической природы (гемопротеины, хлорофиллы, флавопротеиды)
2. По форме белковой молекулы:

1. Фибриллярные (волокнистые) -  нерастворимы в воде. Молекулы нитевидны, способны группироваться в пучки, образуя волокна. Фибриллярные белки являются главными компонентами наружного слоя кожи, волос, ногтей (кератин), участвуют в образовании соединительной ткани (коллаген, миозин);
2. Глобулярные (корпускулярные) растворимы в воде, в растворах кислот, оснований, солей. Молекулы имеют округлую форму.
3. Мембранные - имеют пересекающие клеточную мембрану домены, но части их выступают из мембраны в межклеточное окружение и цитоплазму клетки. Мембранные белки выполняют функцию рецепторов, то есть осуществляют передачу сигналов, а также обеспечивают трансмембранный транспорт различных веществ.

3. По биологическим и физиологическим функциям:

1. Ферменты - являются катализаторами с регулируемой активностью;
2. Гормоны регулируют обмен веществ (инсулин, тироксин и др)
3. Транспортные белки - осуществляют связывание и транспорт различных веществ;
4. Структурные - строительный материал тканей (кератин, коллаген и др.);
5. Рецепторы избирательно связывают различные регуляторы на поверхности клеточных мембран;
6. Ингибиторы ферментов регулируют активность ферментов;
7. Сократительные белки обеспечивают механический процесс сокращения с использованием химической энергии;
8. Антитела защищают организм от воздействия чужеродных соединений, бактерий, вирусов;
9. Токсичные белки выделяются змеями, пчелами, микроорганизмами и являются ядами для других животных организмов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СТРУКТУРА БЕЛКА

 

 

Выделяют 4 уровня структурной организации  белка - первичная, вторичная, третичная и четвертичная структура. Структура большинства белков состоит из трех уровней:

 

Первичная структура (низший уровень)

Это определенный состав и последовательность α-аминокислот в полипептидной цепи.

В природных белках широко варьируются  длина и состав цепи, в настоящее  время расшифрованы первичные структуры  для нескольких тысяч белков из различных  организмов. Запись первичной структуры белков в виде развернутых структурных формул громоздка и ненаглядна. Поэтому используется сокращенная трехбуквенная форма записи  (Рис. 1)

 

Вторичная структура

 

Вторичной структурой называют конформацию, которую образует полипептидная  цепь. Впервые такая структура была обнаружена при изучении белка волос и шерсти Л. Полингом. Позднее он доказал существование двух типов стабильных структур: α-спираль и β-складчатая структура (β-складчатый слой).

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

α-Спиральная структура: Полипептидная цепь сворачивается в спираль за счет водородных связей между атомом кислорода карбонильной группы -С=0 с каждым пятым атомом азота амидной группы -NH-. В α-спирали на одном витке укладываются 3,6 аминокислотных остатков. Радикалы аминокислотных остатков находятся снаружи спирали и не участвуют в поддерживании данной конфигурации. В природе существуют только правозакрученные α-спирали, так как они построены из L-стереоизомеров α-аминокислот. Мышечный белок тропомиозин почти на 100% состоит из α-спиралей, в альбумине сыворотки крови - 50 % α-спиралей, а в нейротоксинах змей - полностью отсутствуют      α-спиральные участки.

β-Складчатая структура: Структура имеет линейную конфигурацию. Такое строение удерживается благодаря образованию водородных связей между пептидными группами (-С=0, -NH-), но уже параллельно расположенных участков двух или более полипептидных цепей. Поскольку полипептидная цепь имеет направление, возможны варианты, когда направление цепей совпадает (параллельная β-структура), либо они противоположны (антипараллельная β-структура).

Третичная структура

 

Это трехмерная конфигурация α-спиралей и β -структур в пространстве или способ укладки полипептидной цепи в определенном объёме. Наиболее организованная структура, в стабилизации которой участвуют боковые радикалы α-аминокислотных остатков, которые сближаются в пространстве за счет 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 взаимодействия между неполярными радикалами (гидрофобные взаимодействия) и т.д.

Третичная структура белка, возникает  автоматически и полностью предопределяется первичной и вторичной структурами. Основной движущей силой в возникновении  трехмерной структуры являются взаимодействия радикалов α-аминокислот с молекулами воды, при этом неполярные (гидрофобные) радикалы вталкиваются внутрь белковой молекулы, образуя там сухие зоны, в то время как полярные (гидрофильные) радикалы ориентируются в сторону воды. В какой-то момент возникает термодинамически наиболее выгодная конформация молекулы в целом, и она стабилизируется. В такой форме белковая молекула характеризуется минимальной свободной энергией.

Четвертичная  структура

 

Термин относится к макромолекулам, образующим трехмерные ассоциаты, состоящие из нескольких полипептидных цепей, которые не связаны между собой ковалентными связью. Каждую отдельную цепь такого ассоциата называют субъединицей. Под четвертичной структурой подразумевается количество и взаимное расположение субъединиц в пространстве. Белки, состоящие их нескольких субъединиц, называются олигомерами. Количество субъединиц в олигомерных белках колеблются от двух до нескольких десятков, причем белки могут состоять из одинаковых или различных субъединиц. Субъединицы в олигомерном белке объединяются после формирования третичной структуры с помощью тех же видов нековалентных взаимодействий, которые стабилизируют четвертичную структуру.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Кислотно-основные свойства

 

Важнейшим свойством белков является их способность (подобно аминокислотам) проявлять  как кислотные так и основные свойства, т.е. выступать в роли амфотерных электролитов. Это обеспечивается за счет различных диссоциирующих группировок, входящих в состав радикалов аминокислот. Например, кислотные свойства белку придают карбоксильные группы аспарагиновой и глутаминовой кислот, а щелочные – радикалы аргинина, лизина, гистидина.

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.

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

 

Обратимое осаждение (высаливание) белков –

предполагает выпадение белка в осадок под действием определенных веществ, после удаления которых он вновь возвращается в исходное (нативное) состояние. Для высаливания белков используют соли щелочных и щелочноземельных металлов (наиболее часто используют сульфат натрия и аммония). Эти соли удаляют водную оболочку и снимают заряд. Между величиной водной оболочки белковых молекул и концентрацией солей существует прямая зависимость: чем меньше гидратная оболочка, тем меньше требуется солей.

 

Необратимое осаждение белков (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, 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 (Рис. 3). Денатурация необратима при нарушении первичной структуры белка (свертывание яичного альбумина при варке яиц).

В результате денатурации меняется форма белковой макромолекулы, снижается растворимость, способность к гидратации, теряется биологическая активность.

 

Рисунок 3 – Денатурация белка

 

 

Гидролиз

 

Характерной реакцией для белков является гидролиз пептидных связей до аминокислот. Белки нацело гидролизуются H₂S0₄ (конц.) при н.у. или 2% НС1 при нагревании и повышенном давлении. Гидролиз белков является способом выделения аминокислот.

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

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 α-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 пищи, 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.

 

 

 

 

КАЧЕСТВЕННЫЕ РЕАКЦИИ НА БЕЛКИ

 

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