Меню Рубрики

Химический синтез и анализ белков

Министерство здравоохранения Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

«Пермский государственный медицинский университет имени академика Е.А. Вагнера»

«Физико-химические свойства белков и их определение»

· Химические свойства белков

· Химический синтез и анализ белков

· Определение первичной структуры белков

· Определение вторичной структуры белков

· Определение третичной и четвертичной структур белков

· Выделение и очистка белков

· Белки в промышленности и медицине

· Список использованной литературы

Белки представляют собой высокомолекулярные органические соединения, построенные из остатков α-аминокислот, соединенных между собой пептидными связями.

Белки играют наиважнейшую роль в процессах жизнедеятельности. Ни один из известных живых организмов не обходится без них. Белки служат питательными веществами, они регулируют обмен веществ, исполняя роль ферментов — катализаторов обмена веществ, способствуют переносу кислорода по всему организму и его поглощению, играют важную роль в функционировании нервной системы, являются механической основой мышечного сокращения, участвуют в передаче генетической информации и т.д. Известно, что аминокислоты, соединяясь друг с другом посредством пептидных связей, образуют полипептиды. Белками являются полипептиды, способные образовывать и самостоятельно стабилизировать свою пространственную структуру. Как правило, белками называют полипептиды, которые содержат более 50 аминокислотных остатков.

Различают химические, физические и биологические свойства белков.

Химические свойства отличаются исключительным разнообразием. Некоторые из радикалов аминокислот содержат свободные минные (лизин, аргинин) и карбоксильные (аспарагиновая и глутаминовая кислоты) группы. Взаимодействуя с окружающими молекулами растворителя (воды), ионогенные группы ионизируются, образуя катионные и анионные центры молекулы белка.

Целью данной семестровой работы является изучение химических и физических свойств белков. Поставленная цель решается посредством следующих задач:

рассмотрение основных физических свойств белков;

изучение характеристики их химических свойств.

Физические свойства

Особо следует отметить подвижность белковых молекул в электрическом поле, их оптическую активность, способность рассеивать свет (ввиду значительных размеров белковых частиц) и поглощать ультрафиолетовое излучение. Перечисленныеоптические свойства белков используют при их фракционировании, количественном определении, измерении молекулярной массы и т.п.

Одним из характерных физических свойств белков является их способность адсорбировать на своей поверхности (а иногда и захватывать внутрь молекулы) низкомолекулярные органические соединения и ионы. С этим свойством белков связана их транспортная функция в организме: некоторые белки являются хорошими переносчиками продуктов обмена и токсических веществ [1].

Биологические свойства

В первую очередь следует отметить биокаталитическую (ферментативную) активность белков. Благодаря особому строению молекулы или наличию активных групп многие белки обладают способностью каталитически ускорять ход химических реакций. Это свойство белков играет важную роль в осуществлении процессов жизнедеятельности.

Другое важное биологическое свойство белков — их гормональная активность, т.е. способность воздействовать на целые группы химических реакций в организме. Некоторым белкам присущи также токсические свойства, патогенная активность, защитные функции в организме и т.п.

Важной является пластическая роль белков: в сочетании с другими макромолекулами они дают начало смешанным сополимерам — нуклеопротеинам, липопротеинам и гликопротеинам, которые в свою очередь обеспечивают возникновение субклеточных структур и надклеточных образований в организме.

Особым свойством белков является их способность к денатурации. Белки, обладающие всеми характерными природными свойствами, называют нативными. Часто под влиянием мягкой обработки (например, легкого встряхивания) или при резких физических или химических воздействиях (тепловой шок, стресс, отравление тяжелыми металлами) белки теряют нативность и переходят в денатурированное состояние.

Изменение уникальной структуры нативного белка, сопровождающееся обратимой или необратимой потерей характерных для него свойств (растворимости, биологической активности, электрофоретической подвижности и т.п.) называют денатурацией. При обратимой денатурации, как правило, нарушаются четвертичная, третичная и частично вторичная структура белковой молекулы, но не происходит каких — либо изменений первичной структуры. В случае обратимой денатурации (в отличие от необратимой) при определенных условиях денатурированный белок можно частично или полностью вернуть к нативному состоянию, такой белок называют ренатурированным, а процесс — ренатурацией.

При необратимой денатурации белка (при кипячении, под действием ионов тяжелых металлов и других агентов) происходит глубокое нарушение структуры белка, в результате чего ренатурация его невозможна [2].

Химические свойства белков

Они отличаются исключительным разнообразием. Обладая аминокислотными радикалами различной химической природы, белковые тела способны вступать в разнообразные реакции. Некоторые из радикалов аминокислот содержат свободные аминные (лизин, аргинин) и карбоксильные (аспарагиновая и глутаминовая кислоты) группы. Взаимодействуя с окружающимимолекулами растворителя (воды), ионогенные группы ионизируются, образуя катионные и анионные центры молекулы белка.

В зависимости от соотношения противоположно заряженных ионов белковая молекула получает суммарный положительный или отрицательный заряд. Для характеристики кислотно-основных свойств молекул белков и аминокислот используется такой показатель, как изоэлектрическая точка.

Изоэлектрическая точка белка (рI) — это значение рН среды, при котором молекула белка электронейтральна и не перемещается в электрическом поле.

Белки, как и аминокислоты, являясь амфотерными электролитами, могут диссоциировать как кислоты и как основания. Условно молекулу белка в растворе с равным числом ионизированных аминных и карбоксильных групп (вблизи изоэлектрической точки) можно представить следующим образом:

В кислой среде (рН 7) подавляется диссоциация белка по аминогруппам, и молекула заряжается отрицательно:

Изоэлектрическая точка кислых белков (с повышенным содержанием дикарбоновых кислот) лежит в слабокислой области, изоэлектрическая точка основных белков (с повышенным содержанием диаминокислот) — в слабощелочной области.

В водном растворе белков их молекулы заряжены и гидратированы, что обусловливает устойчивость белковых растворов. Однако при высокой концентрации солей, ионы которых тоже гидратированы, происходит разрушение водных оболочек белковых молекул и нейтрализация их заряда адсорбирующимися противоионами соли. Белковые частицы слипаются и выпадают в осадок. Таков механизм высаливания белков, который используют для выделения отдельных белков из смеси [3].

Химический синтез и анализ белков

Синтез.Осуществление белкового синтеза химическим путем привлекало внимание многих исследователей. Метод твердофазного синтеза, разработанный Б. Меррифилдом, дал возможность получать достаточно большие полипептиды. Таким же способом был получен гормон инсулин, а его уже можно отнести к классу белков. В случае инсулина более трудной задачей было соединение двух полипептидных цепей в активную макромолекулу. К. Диксон и А. Уардлоу справились с этой задачей и положили основу химического синтеза белков. Однако несмотря на разработку автоматических синтезаторов, метод химического синтеза белков не получил широкого распространения из-за наличия большого числа технических ограничений. В природе небольшие полипептиды синтезируются с помощью соответствующих ферментов, основная же масса белков образуется посредством матричного синтеза.

Анализ. Методы анализа белковых макромолекул селективны и осуществляются в зависимости от того, какая структура является объектом исследования, и начинаются с определения аминокислотного состава. Для этого необходимо провести полный гидролиз пептидных связей и получить смесь, состоящую из отдельных аминокислот. Гидролиз проводят при помощи 6М соляной кислоты при кипячении в течение 24 ч. Так как для гидролиза пептидных связей изолейцина и валина этого может быть недостаточно, проводят контрольный 48 — и 72 — часовой гидролиз. Некоторые аминокислоты, например триптофан, при кислотном гидролизе разрушаются, поэтому для их идентификации используют гидролиз при помощи метансульфоновой кислоты в присутствии триптамина.

Для определения цистеина белок окисляют надмуравьиной кислотой, при этом цистеин превращается в цистеиновую кислоту, которую затем анализируют. Выделение и идентификацию аминокислот проводят при помощи аминокислотных анализаторов, принцип действия которых основан на хроматографическом разделении белкового гидролизата на сульфополистирольных катионитах.

В основе количественного определения той или иной аминокислоты лежит цветная реакция с нингидрином, однако более перспективным следует считать метод, при котором аминокислоты модифицируют в производные, поглощающие свет в видимом диапазоне. Разделение смеси аминокислот проводят при помощи высокоэффективной жидкостной хроматографии, а само определение — спектрофотометрически.

Следующим этапом является определение концевых аминных и карбоксильных группировок в белковой макромолекуле. Это необходимо для того, чтобы знать, какой белок подвергается анализу — протомер или олигомер. Олигомерные белки предварительно обрабатывают надмуравьиной кислотой для разделения на отдельные полипептидные цепи. N-Концевую аминокислоту определяют при помощи динитрофторбензола, который реагирует с α-аминогруппой белка, образуя окрашенное в желтый цвет производное. Что касается С-концевых аминокислот, то их определение связано с применением ферментативного метода. В качестве фермента чаще всего используют карбоксипептидазу А, которая последовательно отщепляет от карбоксильного конца отдельные аминокислоты. Суть метода заключается в количественном определении накопления свободных аминокислот во времени[4].

Дата добавления: 2018-04-15 ; просмотров: 130 ; ЗАКАЗАТЬ РАБОТУ

источник

Белок – неотъемлемая составляющая нашего организма, нарушение которой может вызвать его разрушение. Исторический анализ открытия и исследований белков. Свойства белка, выделение. Биосинтез и химический синтез белка — практическое применение и значение.

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

2. Свойства белка, выделение

4. Значение белков в питании

Список использованной литературы

Белки — высокомолекулярные природные полимеры, построенные из остатков аминокислот, соединенных амидной (пептидной) связью — СО-NH-. Каждый белок характеризуется специфической аминокислотной последовательностью и индивидуальной пространственной структурой (конформацией). На долю белка приходится не менее 50% сухой массы органических соединений животной клетки. Функционирование белка лежит в основе важнейших процессов жизнедеятельности организма. Обмен веществ (пищеварение, дыхание и др.), мышечное сокращение, нервная проводимость и жизнь клетки в целом неразрывно связаны с активностью ферментов — высокоспецифических катализаторов биохимических реакций, являющихся белками. Основу костной и соединительной тканей, шерсти, роговых образований составляют структурные белки. Они же формируют остов клеточных органелл (митохондрий, мембран и др.). Расхождение хромосом при делении клетки, движение жгутиков, работа мышц животных и человека осуществляются по единому механизму при посредстве белков сократительной системы. Важную группу составляют регуляторные белки, контролирующие биосинтез белка, и нуклеиновых кислот. К регуляторным белкам относятся также пептидно-белковые гормоны, которые секретируются эндокринными железами. Информация о состоянии внешней среды, различные регуляторные сигналы (в т.ч. гормональные) воспринимаются клеткой с помощью специальных рецепторных белков, располагающихся на наружной поверхности плазматической мембраны. Эти белки играют важную роль в передаче нервного возбуждения и в ориентированном движении клетки (хемотаксисе). В активном транспорте ионов, липидов, сахаров и аминокислот через биологические мембраны участвуют транспортные белки, или белки-переносчики. К последним относятся также гемоглобин и миоглобин, осуществляющие перенос кислорода. Преобразование и утилизация энергии, поступающей в организм с питанием, а также энергии солнечного излучения происходят при участии белков биоэнергетической системы (например, родоксин, цитохромы). Большое значение имеют пищевые и запасные белки, играющие важную роль в развитии и функционировании организмов. Защитные системы высших организмов формируются защитными белками, к которым относятся иммуноглобулины (ответственны за иммунитет), белки комплемента (ответственны за лизис чужеродных клеток и активацию иммунологической функции), белки системы свертывания крови и противовирусный белок интерферон.

По составу белки делятся на простые, состоящие только из аминокислотных остатков, и сложные. Сложные могут включать ионы металла (металлопротеиды) или пигмент (хромопротеиды), образовывать прочные комплексы с липидами (липопротеины), нуклеиновыми кислотами (нуклеопротеиды), а также ковалентно связывать остаток фосфорной кислоты (фосфопротеиды), углевода (гликопротеины) или нуклеиновой кислоты (геномы некоторых вирусов). В соответствии с формой молекул белки подразделяют на глобулярные и фибриллярные. Молекулы первых свернуты в компактные глобулы сферической или эллипсоидной формы, молекулы вторых образуют длинные волокна (фибриллы) и высокоасимметричны. Большинство глобулярных белков, в отличие от фибриллярных, растворимы в воде. Особую группу составляют мембранные (амфипатические) белки, характеризующиеся неравномерным распределением гидрофильных и гидрофобных (липофильных) участков в молекуле: погруженная в биологическую мембрану часть глобулы состоит преимущественно из липофильных аминокислотных остатков, а выступающая из мембраны — из гидрофильных.

Первые работы по выделению и изучению белковых препаратов были выполнены еще в 18 в., однако в тот период исследования белков носили описательный характер. В начале 19 в. были сделаны первые анализы элементного состава белков (Ж.Л. Гей-Люссак, Л. Ж. Тенар, 1810) положившие начало систематическим аналитическим исследованиям, в результате которых было установлено, что все белковые вещества близки не только по внешним признакам и свойствам, но и по элементарному составу. Важное следствие этих работ — создание первой теории строения белковых веществ, согласно которой все белки содержат общий гипотетический радикал — «протеин», имеющий эмпирическую формулу C40H62N10O12 и связанный в различных пропорциях с атомами серы и фосфора. Получив сначала всеобщее признание, эта теория привлекла интерес к аналитическим исследованиям белков, совершенствованию препаративных методов белковой химии. В этот период были разработаны простейшие приемы выделения белков путем экстракции растворами нейтральных солей и осаждения, получены первые кристаллические белки (гемоглобин, некоторые растительные белки), для анализа белков стали использовать кислотный и щелочной гидролиз.

Создание теории протеина совпало по времени с формированием представлений о функции белков в организме. В 1835 г. И.Я. Берцелиус высказал идею о важнейшей функции белка — биокаталитической. Вскоре были открыты первые протеолитические ферменты — пепсин (Т. Шванн, 1836) и трипсин (Л. Корвизар, 1856). Открытие протеаз стимулировало интерес биохимиков к физиологии пищеварения, а следовательно, и к продуктам переваривания белков. К середине 19 в. было показано, что под действием протеолитических ферментов белки распадаются на близкие по свойствам фрагменты, получившие название пептоинов (К. Леман, 1850).

Важное событие в изучении белков — выделение из белкового гидролиза аминокислоты глицина (А. Браконно, 1820). К концу 19 в. было изучено большинство аминокислот, входящих в состав белка, синтезирован аланин (А. Штреккер, 1850). В 1894 г. А. Коссель высказал идею о том, что основными структурными элементами белков являются аминокислоты.

В начале 20 в. значительный вклад в изучение белка внес Э. Фишером, впервые применившим для этого методы органической химии. Путем встречного синтеза Э. Фишер доказал, что белки построены из остатков — аминокислот, связанных амидной (пептидной) связью. Он также выполнил первые аминокислотные анализы белка, дал правильное объяснение протеолизу.

В 20-40-е гг. получили развитие физико-химические методы анализа белков. Седиментационными и диффузионными методами были определены молекулярные массы многих белков, получены данные о сферической форме молекул глобулярных белков, выполнены первые рентгеноструктурные анализы аминокислот и пептидов, разработаны хроматографические методы анализа. Существенно расширились представления о функциональной роли белка.

В начале 50-х гг. была выдвинута идея о трех уровнях организации белковых молекул (К.У. Линдерстрём-Ланг, 1952) — первичной, вторичной и третичной структурах. Определены первичные структуры инсулина (Ф. Сенгер, 1953) и рибонуклеазы (К. Анфинсен, С. Мур, К. Херс, У. Стайн, 1960). По данным рентгеноструктурного анализа были построены трехмерные модели миоглобина (Дж. Кендрю, 1958) и гемоглобина (М. Перуц, 1958) и, таким образом, доказано существование в белках сторичной и третичной структур, в т.ч. -спирали, предсказанной Л. Полингом и Р. Кори в 1949-51.

В 60-е гг. в химии белков развивалось синтетическое направление: были синтезированы инсулин и рибонуклеаза. Дальнейшее развитие получили аналитические методы: стал широко использоваться автоматический аминокислотный анализатор, созданный С. Муром и У. Стайном в 1958, существенно модифицированы хроматографические методы, до высокой степени совершенства доведен рентгеноструктурный анализ, сконструирован автоматический прибор для определения последовательности аминокислотных остатков в белке — секвенатор. Благодаря созданию прочной методологической базы стало возможным проводить широкие исследования аминокислотной последовательности белка. В эти годы была определена структура несколько сотен сравнительно небольших белков (до 300 аминокислотных остатков в одной цепи), полученных из самых различных источников как животного, так и растительного, бактериального, вирусного и другого происхождения. Среди них — протеолитические ферменты (трипсин, химотрипсин, субтилизин, карбоксипептидазы), миоглобины, геомоглобины, цитохромы, лизоцимы, иммуноглобулины, гистоны, нейротоксины, белкоавых оболочек вирусов, белково-пептидные гормоны и др. В результате были созданы предпосылки для решения актуальных проблем энзимологии, иммунологии, эндокринологии и др. областей физико-химической биологии.

Читайте также:  Анализ на аминокислоты в белке

В 70-80-е гг. наибольший прогресс был достигнут при изучении белков-регуляторов матричного синтеза биополимеров (в т.ч. белков рибосом), сократительных, транспортных и защитных белков, ряда мембранных белков (в т.ч. белков биоэнергетических систем), рецепторных белков. Большое внимание уделялось дальнейшему совершенствованию методов анализа белка. Значительно повышена чувствительность автоматического анализа аминокислотной последовательности б. Широкое применение нашли новые методы разделения белков и пептидов (жидкостная хроматография высокого давления, биоспецифическая хроматография). В связи с разработкой эффективных методов анализа нуклеотидной последовательности ДНК (А. Максам и У. Гилберт, Ф. Сингер) стало возможным использовать полученную при таком анализе информацию и при определении первичной структуры белков. В результате установлена структура ряда белков, доступных в ничтожно малых количествах (интерферон, ацетилхолиновый рецептор), а также белков, большой молекулярной массы. Успехи структурного анализа позволили вплотную приступить к определению пространственной организации и молекулярных механизмов функционирования надмолекулярных комплексов, в т.ч. рибосом, хроматина (нуклеосом), митохондрий, фагов и вирусов. Существенные результаты получены в эти годы советскими учеными: определена первичная структура аспартатаминотрансферазы (1972), бактериородопсина (1978), животного родопсина (1982), некоторых рибосомальных белков, фактора элонгации G (1982), важнейшего фермента — РНК-полимеразы (1976-82), нейротоксинов и др.

2. Свойства белка, выделение

Свойства. Физическо-химические свойства белков определяются их высокомолекулярной природой, компактность укладки полипептидных цепей и взаимным расположением остатков аминокислот. Молекулярная масса варьируется от 5 до 1 млн., а константы седиментации — от 1 до 20 (и выше). Средний удельный объем белковых молекул -0,70-0,75 см 3 /г, а константы диффузии — 10 6 -10 8 см 2 /с. Максимум поглощения белков, в УФ-области спектра, обусловленный наличием ароматических аминокислот, находится вблизи 280 нм. Возбуждение электронов атома азота пептидной группы вызывает резкое увеличение поглощения при 185-240 нм. В ИК-области спектра белки поглощают за счет СО- и NH-групп при 1600 и 3100-3300 см -1 .

В растворах белки амфотерны. Изоэлектрические точки белка могут иметь значения от -3 мкг/мл примесного антигена).

Биосинтез белка происходит в результате трансляции в субклеточных частицах — рибосомах, представляющих собой сложный рибонуклеиновый комплекс. Информация о первичной структуре белка «хранится» в соответствующих генах — участках ДНК — в виде последовательности нуклеотидов. В процесс транскрипции эта информация с помощью фермента — ДНК — зависимой РНК — полимеразы — передается на матричную рибонуклеиновую кислоту, которая, соединяясь с рибосомой, служит матрицей для синтеза белка. Выходящие из рибосомы синтезированные полипептидные цепи, самопроизвольно сворачиваясь, принимают присущую данному белку конформацию, а также подвергаются модификации благодаря реакциям различных функциональных групп аминокислотных остатков и расщеплению пептидных связей.

Химический синтез широко применяют для получения пептидов, в т.ч. биологически активных гормонов и их разнообразных аналогов, используемых для изучения взаимосвязи структуры и биологической функции, а также пептидов, несущих антигенные детерминанты различных белков и применяемых для приготовления соответствующих вакцин. Первые химические синтезы белка в 60-е гг. (инсулина овцы и рибонуклеазы S), осуществленные в растворе с помощью тех же методов, которые используют при синтезе пептидов, были связаны с чрезвычайно большими сложностями. В каждом случае требовалось провести сотни химических реакций и окончательный выход белка был очень низок (менее 0,1%), в результате чего полученные препараты не удалось очистить. Позже были синтезированы некоторые химически чистые белки, в частности инсулин человека (П. Зибер и др.) и нейротоксин II из ядра среднеазиатской кобры (В.Т. Иванов). Однако до сих пор химический синтез белка представляет весьма сложную проблему и имеет скорее теоретическое, чем практическое значение. Более перспективны методы генетической инженерии, которые позволяют наладить промышленное получение практически важных белков и пептидов.

4. Значение белков в питании

Белок — необходимая составная часть продуктов питания. Проблема пищевого белка стоит очень остро. По данным Международной организации по продовольствию и сельскому хозяйству при ООН больше половины человечества не получает с пищей необходимого количества белка. Недостаток белка в пище вызывает тяжелое заболевание — квашиоркор.

В процессе пищеварения белки подвергаются гидролизу до аминокислот, которые и всасываются в кровь. Пищевая ценность белка зависит от их аминокислотного состава, содержания в них так называемых незаменимых аминокислот, не синтезирующихся в организмах (для человека незаменимы триптофан, лейцин, изолейцин, валин, треонин, лизин, метионин и фенилаланин). В питательном отношении растительные белки менее ценны, чем животные; они беднее лизином, метионином и триптофаном, труднее перевариваются. Один из путей решения проблемы — добавление в растительную пищу синтетических аминокислот. Наряду с этим выводят новые сорта растений, содержащие гены, ответственные за синтез недостающих аминокислот. Перспективно использование для этого методов генетической инженерии. Чрезвычайно важное значение имеет широкое внедрение промышленного микробиологического синтеза, например, выращивание дрожжей на гидролизном этиловом спирте, природном газе или нефти. Получаемые при этом белково-витаминные концентраты (БВК) используют в качестве добавок к корму сельскохозяйственных животных. Исследования советских микробиологов и технологов (Г.К. Скрябин и др.) послужили основой для производства БВК в СССР в крупных масштабах.

Белок — неотъемлемая составляющая нашего организма, нарушение которой может вызвать его разрушение. Необходимость постоянного получения белковой пищи человеком вызвано наличием у белка определенных функций, которые необходимы живому организму для его развития, размножения и осуществления жизнедеятельности.


На долю белка приходится не менее 50% сухой массы органических соединений животной клетки. Функционирование белка лежит в основе важнейших процессов жизнедеятельности организма. Обмен веществ (пищеварение, дыхание и др.), мышечное сокращение, нервная проводимость и жизнь клетки в целом неразрывно связаны с активностью ферментов — высокоспецифических катализаторов биохимических реакций, являющихся белками. Основу костной и соединительной тканей, шерсти, роговых образований составляют структурные белки. Они же формируют остов клеточных органелл (митохондрий, мембран и др.). Расхождение хромосом при делении клетки, движение жгутиков, работа мышц животных и человека осуществляются по единому механизму при посредстве белков сократительной системы. Важную группу составляют регуляторные белки, контролирующие биосинтез белка, и нуклеиновых кислот.


Большинство глобулярных белков, в отличие от фибриллярных, растворимы в воде. Особую группу составляют мембранные (амфипатические) белки, характеризующиеся неравномерным распределением гидрофильных и гидрофобных (липофильных) участков в молекуле: погруженная в биологическую мембрану часть глобулы состоит преимущественно из липофильных аминокислотных остатков, а выступающая из мембраны — из гидрофильных.


Биохимический синтез белка в промышленных целях необходимо важен для человечества, это позволяет создавать искусственные препараты, продукты питания и средства индивидуальной защиты.

источник

Для замечаний

Значение белков. Ткани организма в своем составе содержат большое количество макромолекул. Белки количественно преобладают над всеми другими макромолекулами и составляют более половины сухого веса большинства организмов. Не случайно белки называют протеины, что в переводе с греческого означает “первые” или “главные”. В организме человека насчитывается около 5000000 различных белков. Точное строение и структура известны примерно для 1000 белков. Первые сведения о белках появились в конце 19 века, когда были выделены из клеток сложные азотсодержащие соединения. Тогда же выявилось, что белки состоят из аминокислот. Гликокол открыли в 1820 году, а к концу 19 века открыли почти все аминокислоты.

Белки – высокомолекулярные азотсодержащие органические вещества, молекулы которых построены из остатков аминокислот. Как уже упоминалось, в организме почти половину сухого остатка составляют белки, на сырую массу приходится- 10-20%. Однако различные органы и ткани содержат разное количество белка. Так, мышцы, легкие, почки, селезенка содержат 70-80% от сухой массы, жировая ткань –14-15%, кости, зубы-18-20%белка от сухой массы. Такая разница в содержании белка в различных тканях и органах обусловлена многообразием функций, выполняемых белками. Согласно выполняемым функциям, выделяют следующие группы белков:

1) каталитические белки — ферменты, ускоряющие и регулирующие реакции.

2) структурные белки — не обладая динамическими функциями, они играют роль матрицы для различных частей организма, например, коллаген, входящий в состав соединительных тканей(составляет 1/3 общего белка организма).

3) сократительные белки – молекулы этих белков способны плотно сжимать и расслаблять свою структуру, например, актин и миозин в мышцах.

4)защитные белки – например, антитела из гамма-глобулиновой фракции крови, интерфероны – белки, участвующие в защите от вирусных инфекций.

5) белки, участвующие в пищеварение – различные ферменты, например, трипсин, выделяемые в процессе желудочно-кишечной секреции, они катализируют расщепление пищевых продуктов на менее сложные соединения.

6) транспортные белки – среди них можно назвать прежде всего гемоглобин-

переносчик кислорода и углекислого газа в крови, другие белки-переносчики

обнаружены в клеточной мембране и участвуют в переносе соединений через мембрану.

7) белки крови – например, фибриноген, участвует в процессе свертывания крови.

8) белковые гормоны – белки, подобные инсулину, регулируют клеточную активность.

9) белки, связанные с ДНК(РНК) – регулирующие наследственные процессы.

10) дыхательные белки – например, цитохромы, участвующие в переносе электронов к соответствующим акцепторам, у аэробов – к кислороду.

11) белки – рецепторы – содержаться в мембране, способны передавать информацию внутрь клетки, после связывания с определенными соединениями на внешней поверхности клетки.

Элементарный и аминокислотный состав белка.

В состав белка входят 5 основных элементов:

3) азот-15-17% (16% )-эту цифру используют при количественном определение белка

В составе некоторых белков в небольших количествах встречаются и другие элементы: фосфор, железо, марганец, магний, медь, йод и другие.

Все белки состоят из 20 различных альфа-аминокислот.

Общая формула этих аминокислот: R-CH-COOH

Как видно из общей формулы все альфа-аминокислоты, участвующие в построении белка, отличаются друг от друга только химической природой радикала – R. Все эти аминокислоты изучались в курсе биоорганической химии. При подготовке к практическим занятиям необходимо повторить связи: выделяют прочные ковалентные связи (это пептидная, дисульфидная) и менее прочные – нековалентные ( ионная, водородная, гидрофобная).

Типы связей в белковых молекулах.

В молекулах белка аминокислоты связаны между собой пептидными связями

CH – COOH + CH – COOH CH – CO – NH – CH — COOH

Таким образом образуются пептиды (в данном случае – дипептид). Присоединение следующей аминокислоты происходит к свободной карбоксильной группе с образованием новой пептидной связи. При соединении большого числа (обычно более ста) аминокислот путем образования пептидных связей , формируется полипептидная цепь , а каждая аминокислота в этой цепи называется аминокислотным остатком. Полипептидная цепь имеет определенное направление. Принято считать, что они начинаются с N – конца, то-есть конца несущего свободную аминогруппу и заканчивается С – концом, где есть свободная карбоксильная группа.

Необходимо отметить некоторое своеобразие пептидной связи. Так атомы углерода и азота, образующие пептидную связь, находятся примерно в одной плоскости, а атомы водорода и радикалы направлены к этой плоскости под углом 109 градусов 28минут .

Кислород и водород находятся в транс положении. Вот так выглядит пептидная связь. Вращение вокруг пептидной связи ограничено. Кроме того, расстояние между атомами углерода и водорода в пептидной связи равно 0,132 нанометра, втовремя как одинарная связь H3С – NH2 длину 0,147 нанометров, а в двойной связи = С = N – это расстояние равно 0,125 нанометров. Это создает предпосылки для осуществления таутомерных (лактам-лактимных) превращений, что повышает реакционную способность полипептидной цепи.

Н2N – CH – C – NH – CH – COOH Н2N– CH – C = N – CH — COOH

Разорвать связь можно кипячением с кислотой или щелочью, или под действием ферментов. Пептидная связь участвует в формировании первичной структуры белка.

2) Второй вид связи – дисульфидная – эта связь образуется за счет двух атомов серы — S – S — . Эту связь могут дать только серосодержащие аминокислоты. За счет дисульфидной связи связываются две или более полипептидных цепи или образуются циклические структуры.

—|———-|——

SH SH S S

( образуется циклическая структура)

|-S-S-| сшиваются две цепи, например у инсулина

Дисульфидная связь участвует в формировании третичной и четвертичной структуры.

3) Водородная связь – это связь водорода с электроотрицательными группировками. Она слабая (в десять раз слабее ковалентной), но если этих связей много, то они сильно влияют на пространственную конфигурацию белковых молекул. Водородные связи возникают между соседними изгибами цепи, притягивая их друг к другу и предавая повторяемую периодичность цепи.

С Они определяют вторичную, третичную, четвертичную

| Структуры. Разрушаются при денатурации.

4)Ионные связи – образуются между заряженными частями белка, определяет общую пространственную конфигурацию.

(аргинин, (глутаминовая кислота,

лизин) аспарагиновая кислота)

5)Гидрофобные связи – образуются неполярными радикалами в полярных растворителях. При этом отсутствует взаимодействие с водой. Гидрофобные группировки в водной среде объединяются в единые центры

(энергетически очень выгодно, этим определяется энтропия). При формировании структуры белковых молекул гидрофобные связи играют очень большую роль.

—|——-|——-|—

Определяют третичную и четвертичную структуру. Разрушаются при денатурации белков.

Помимо белков, высокой биологической активностью обладают и низкомолекулярные пептиды, которые как и белки так же состоят из аминокислот. Природные пептиды и зависимости от характера действия и происхождения принято делить на 4 группы:

1) Пептиды, обладающие гормональной активностью (вазопресин, окситоцин, адренокортикотропный гормон, меланоцитстимулирующий гормон, глюкагон,кальцитонин, меланоцитостимулирующий гормон и другие). Подробнее о них будет говориться в соответствующих разделах биохимии.

2) Пептиды, принимающие участие в пищеварении (гастрин, секретин). Эти гормоны синтезируются в желудке и стимулируют секрецию соляной кислоты и выделение воды и солей в поджелудочной железе.

3) Пептиды, имеющие своим источником альфа-2-глобулиновую фракцию сыворотки крови (ангиотензин – регулирует кровеносное давление, брадикинин – мощное сосудорасширяющее средство, ренин – активирует ангиотензин).

4) Нейропептиды – оказывают большое влияние на передачу нервных импульсов(энкефалины)

Очень важное значение имеет трипептид глютатион. Он участвует в транспорте аминокислот через клеточные мембраны. Поддерживает восстановленное состояние железа(+2) в гемоглобине. Сохраняет интактными –SН- группы многих белков мембраны, предохраняя их от окисления.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕЛКОВ.

Они определяются структурой белка. Белки – высокомолекулярные соединения, их молекулярная масса колеблется (в зависимости от вида белка) от нескольких тысяч до нескольких миллионов дальтон. Принято считать белками такой полипептид, молекулярная масса которого превышает 5000 дальтон и при этом он несет ту или иную биологическую функцию. Например, молекулярная масса инсулина составляет около 6000 дальтон, гемоглобина – 68000 дальтон, каталазы около 250000 дальтон, миозин – 500000, белки вируса табачной палочки – до 1000000 дальтон. Определение молекулярной массы белков проводят, используя различные методы. Рассмотрим некоторые из них:

1) Аналитическое ультрацентрифугирование – относится к

седиментационным методам (от слова седиментация – осаждение под действием гравитационных сил). Принцип метода: на поверхность буферного раствора, помещенного в кювету, наносят тонкий слой белка и кювету помещают в ротор центрифуги. Вращение ротора происходит со скоростью от 100000 до 500000 оборотов в минуту. При этом молекулы белка как более плотные начинают перемещаться в направлении от оси вращения. Это регистрируется специальным оптической системой по показателю преломления, который выше в зоне белка. На основании результатов вычисляют коэффициент седиментации(S).

Читайте также:  Анализ количества белка в организме

Где dx/dt – Скорость седимнетации

W – угловая скорость, выраженная в рад/сек.

X – расстояние от оси вращения до зоны белка.

За единицу коэффициента седиментации условно принята величина десять в минус тринадцатой степени секунд, называется сведбергом и обозначается S*

Получаются величины (для белка) в диапозоне от 1 до 200 сведберг.

2) Метод ионообменной хроматографии. Стеклянную колонку заполняют смолой, несущей группировки SO3HNa. Известно, что в кислой среде белки заряжаются положительно и способны вытеснять часть ионов Na, занимая их место. Затем через колонку пропускают элюент( жидкость, способную разрывать связь белка с анионом SO3H). Поскольку прочность связи с SO3H у разных белков различна, они выходят из колонки поочередно. Поэтому их легко выделить и определить их количество и молекулярную массу.

3) Метод гель-фильтрации. Колонку заполняют декстраном ( например, сефадексом), имеющим поры. При этом молекулы, имеющие большие размеры, или совсем не проникают, или проникают только в часть пор и вымываются из колонки раньше, чем мелкие молекулы. Таким образом можно разделить смесь белков и измерить их молекулярную массу.

4) Электронная микроскопия. В настоящее время электронная микроскопия дает разрешение в 20 ангстрем, что позволяет видеть белки. Подсчитывая число белковых глобул, можно получить приблизительную величину молекулярного веса. Для этого достаточно знать концентрацию белка в растворе и объем, который наблюдается в микроскоп.

5) Метод рентгеноструктурного анализа.

7) Физические методы всегда дают приближенные результаты, поэтому их лучше дополнять данными, полученными с помощью химических методов, основанных на определении концентрации вещества.

Размеры белковых молекул зависят от ряда факторов (число аминокислотных остатков в полипептидной цепи, молекулярный вес белка, наконец, его форма) и колеблется от 0,001 до 0,1 мкм , то-есть в принципе, соизмеримы с коллоидными частицами, и, соответственно обладают некоторыми свойствами, близкими к свойствами коллоидных растворов:

1)низкая скорость диффузии белков в растворах (при этом глобулярные белки более подвижны чем фибриллярные).

2)Высокая вязкость (увеличение вязкости белков плазмы крови создает дополнительную нагрузку на миокард). Вязкость белковых растворов связана с большой молекулярной массой, связями в белковых молекулах, и наличием гидратной оболочки.

3)Белки неспособны проходить через полупроницаемую мембрану. В участках с высокой концентрацией белка создается избыточное гидростатическое давление. Притягивая воду, белки создают онкотическое давление. Это очень важный фактор для перераспределения воды между сосудистым руслом и тканями. Изменение ( уменьшение) онкотического давления может привести к отекам, а увеличение может привести к увеличению объема циркулирующей крови.

4)Некоторые белки (особенно фибриллярные) способны к гемообразованию (например, коллаген – это повышает его прочность).

По форме белковые молекулы делятся на фибриллярные и глобулярные.

Фибриллярные белки – это устойчивые, как правило нерастворимые в воде и в разбавленных солевых растворах вещества. Располагаясь параллельно друг другу вдоль одной оси, полипептидные цепи образуют длинные волокна – фибриллы. Это основные структурные элементы соединительной ткани (коллаген, кератин, эластин). У глобулярных белков полипептидные цепи плотно свернуты в компактные сферические структуры. Большинство этих белков растворимы в воде и слабых солевых растворах. Это почти все ферменты, антитела, альбумины, гемоглобин. Некоторые белки принадлежат к промежуточному типу. Подобно фибриллярным, они состоят из длинных палочковидных структур, в тоже время они, как и глобулярные, растворимы в водных солевых растворах. Это миозин, фибриноген. Белки обладают и свойствами истинных растворов.

Растворимость. Большинство белков растворимы в воде и водных солевых растворах, образуя растворы высокомолекулярных соединений (истинные растворы), по своим свойствам напоминающие коллоидные, так-как размеры белковых молекул сопостовимы с размерами коллоидных частиц. Растворы белков устойчивы. Растворимость белка тем выше, чем больше гидрофильных групп на его поверхности . На растворимость белков влияет добавление солей: так альбумины хорошо растворимы в воде, глобулины растворяются в присутствии 5-10% KCl или NaCl. Присутствие соли уменьшает(ослабляет) внутренние ионные связи.

Факторы стабилизации белковых растворов:

2) Высокая степень гидротации.

Наличие заряда обусловлено способностью к ионизации гидрофильных группировок аминокислот, входящих в состав белка. Это группы –СООН, -ОН, -SH, -NH2 и т.д. Основной фактор ионизации – величина pH среды. Чем щелочнее среда, тем больший отрицательный заряд приобретает белковая молекула. Это можно изобразить схемотично:

-СООН щелочная среда -СОО —

-ОН -О —

и наоборот, чем кислее среда, тем больше положительный заряд:

-NH2 кислая среда -NH3 +

В большей степени ионизации подвергают группы –СООН и –NH2, в меньшей –ОН и –SH –группы. То значение рН, при котором группы -СООН или –NH2 ионизированы на 50%, называется показатель ионизации(Рк). Для карбоксильных групп Рк=2-4, для аминогрупп 10-12. Появление заряда на белковой молекуле приводит к образованию ионных связей. Способность к ионизации обуславливает буферное свойство белков( (при защелачивании среды белки могут являтся донорами протонов – в основном за счет карбоксильных групп, при закислении среды белки являются акцепторами протонов, при этом Н+ присоединяется к аминогруппам). В щелочной среде белок ведет себя как анион, и если раствор такого белка поместить в постоянное электрическое поле, то он мигрирует по направлению к аноду. Напротив, в кислой среде белок ведет себя как катион и в постоянном электрическом поле двигается по направлению к катоду. Эти свойства белков использовал Тизелиус, который в 1937 году предложил новый метод разделения сложных белковых смесей – электрофорез. В медицине явление электрофореза широко используется. Он применяется для разделения белков в сыворотке крови на фракции, для введения лекарственных веществ и т.д. При определенном значении рН среды количество положительных и отрицательных зарядов становится равным(т.е. суммарный заряд молекул белка равен 0). Такое состояние белка называется изоэлектрическим. Значение рН, при котором белок находится в изоэлектрическом состоянии, называется изоэлектрической точкой и обозначается Pi. Изоэлектрическая точка белков варьирует между значениями рН от 1 (для пепсина)до 10 (для гистонов).Для большинства белков изоэлектрическая точка лежит в более узких пределах: от 4 до 7. Снять заряд можно добавлением электролита или приближением рН к Pi (т.е., по сути, подкислением раствора).

Гидратация объясняется полярными взаимодействиями гидрофильных групп белков (-COOH,-OH,-SH,-NH2) с диполями воды, при этом вокруг молекулы белка образуется «водная шуба», которые препятствует взаимодействию молекул белка между собой. Гидратацию можно уменьшить, изменяя конформацию белка (то-есть нарушая третичную структуру) – убирая гидрофильнуые группы внутрь белковой молекулы или добавляя вещества, жадно поглощающие воду (спирт, соли серной кислоты). Таким образом, для осаждения белка необходимо снять заряд и убрать гидратную оболочку. Вязкость растворов белка во многом определяет его оптические свойства.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

источник

В первой половине 19 в. многие химики, и среди них в первую очередь Ю.фон Либих, постепенно пришли к выводу, что белки представляют собой особый класс азотистых соединений. Название «протеины» (от греч. protos – первый) предложил в 1840 голландский химик Г.Мульдер.

Белки в твердом состоянии белого цвета, а в растворе бесцветны, если только они не несут какой-нибудь хромофорной (окрашенной) группы, как, например, гемоглобин. Растворимость в воде у разных белков сильно варьирует. Она изменяется также в зависимости от рН и от концентрации солей в растворе, так что можно подобрать условия, при которых один какой-нибудь белок будет избирательно осаждаться в присутствии других белков. Этот метод «высаливания» широко используется для выделения и очистки белков. Очищенный белок часто выпадает в осадок из раствора в виде кристаллов.

В сравнении с другими соединениями молекулярная масса белков очень велика – от нескольких тысяч до многих миллионов дальтон. Поэтому при ультрацентрифугировании белки осаждаются, и притом с разной скоростью. Благодаря присутствию в молекулах белков положительно и отрицательно заряженных групп они движутся с разной скоростью и в электрическом поле. На этом основан электрофорез – метод, применяемый для выделения индивидуальных белков из сложных смесей. Очистку белков проводят и методом хроматографии.

Строение. Белки – это полимеры, т.е. молекулы, построенные, как цепи, из повторяющихся мономерных звеньев, или субъединиц, роль которых играют у них a -аминокислоты. Общая формула аминокислот

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

Белковая молекула (полипептидная цепь) может состоять всего лишь из относительно небольшого числа аминокислот или из нескольких тысяч мономерных звеньев. Соединение аминокислот в цепи возможно потому, что у каждой из них имеются две разные химические группы: обладающая основными свойствами аминогруппа, NH2 , и кислотная карбоксильная группа, СООН. Обе эти группы присоединены к a -атому углерода. Карбоксильная группа одной аминокислоты может образовать амидную (пептидную) связь с аминогруппой другой аминокислоты:

После того как две аминокислоты таким образом соединились, цепь может наращиваться путем добавления ко второй аминокислоте третьей и т.д. Как видно из приведенного выше уравнения, при образовании пептидной связи выделяется молекула воды. В присутствии кислот, щелочей или протеолитических ферментов реакция идет в обратном направлении: полипептидная цепь расщепляется на аминокислоты с присоединением воды. Такая реакция называется гидролизом. Гидролиз протекает спонтанно, а для соединения аминокислот в полипептидную цепь требуется энергия.

Карбоксильная группа и амидная группа (или сходная с ней имидная – в случае аминокислоты пролина) имеются у всех аминокислот, различия же между аминокислотами определяются природой той группы, или «боковой цепи», которая обозначена выше буквой R . Роль боковой цепи может играть и один атом водорода, как у аминокислоты глицина, и какая-нибудь объемистая группировка, как у гистидина и триптофана. Некоторые боковые цепи в химическом смысле инертны, тогда как другие обладают заметной реакционной способностью.

Синтезировать можно многие тысячи различных аминокислот, и множество различных аминокислот встречается в природе, но для синтеза белков используется только 20 видов аминокислот: аланин, аргинин, аспарагин, аспарагиновая кислота, валин, гистидин, глицин, глутамин, глутаминовая кислота, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, пролин, серин, тирозин, треонин, триптофан, фенилаланин и цистеин (в белках цистеин может присутствовать в виде димера – цистина). Правда, в некоторых белках присутствуют и другие аминокислоты, помимо регулярно встречающихся двадцати, но они образуются в результате модификации какой-нибудь из двадцати перечисленных уже после того, как она включилась в белок.

Оптическая активность. У всех аминокислот, за исключением глицина, к a -атому углерода присоединены четыре разные группы. С точки зрения геометрии, четыре разные группы могут быть присоединены двумя способами, и соответственно есть две возможные конфигурации, или два изомера, относящиеся друг к другу, как предмет к своему зеркальному отражению, т.е. как левая рука к правой. Одну конфигурацию называют левой, или левовращающей ( L ), а другую – правой, или правовращающей ( D ), поскольку два таких изомера различаются направлением вращения плоскости поляризованного света. В белках встречаются только L -аминокислоты (исключение составляет глицин; он может быть представлен лишь одной формой, поскольку у него две из четырех групп одинаковы), и все они обладают оптической активностью (поскольку имеется только один изомер). D -аминокислоты в природе редки; они встречаются в некоторых антибиотиках и клеточной оболочке бактерий.

Последовательность аминокислот. Аминокислоты в полипептидной цепи располагаются не случайным образом, а в определенном фиксированном порядке, и именно этот порядок определяет функции и свойства белка. Варьируя порядок расположения 20 видов аминокислот, можно получить огромное число разных белков, точно так же, как из букв алфавита можно составить множество разных текстов.

В прошлом на определение аминокислотной последовательности какого-нибудь белка уходило нередко несколько лет. Прямое определение и теперь достаточно трудоемкое дело, хотя созданы приборы, позволяющие вести его автоматически. Обычно проще бывает определить нуклеотидную последовательность соответствующего гена и вывести из нее аминокислотную последовательность белка. К настоящему времени уже определены аминокислотные последовательности многих сотен белков. Функции расшифрованных белков, как правило, известны, и это помогает представить себе возможные функции сходных белков, образующихся, например, при злокачественных новообразованиях.

Сложные белки. Белки, состоящие из одних только аминокислот, называют простыми. Часто, однако, к полипептидной цепи бывают присоединены атом металла или какое-нибудь химическое соединение, не являющееся аминокислотой. Такие белки называются сложными. Примером может служить гемоглобин: он содержит железопорфирин, который определяет его красный цвет и позволяет ему играть роль переносчика кислорода.

В названиях большинства сложных белков содержится указание на природу присоединенных групп: в гликопротеинах присутствуют сахара, в липопротеинах – жиры. Если от присоединенной группы зависит каталитическая активность фермента, то ее называют простетической группой. Нередко какой-нибудь витамин играет роль простетической группы или входит в ее состав. Витамин А, например, присоединенный к одному из белков сетчатки, определяет ее чувствительность к свету.

Третичная структура. Важна не столько сама аминокислотная последовательность белка (первичная структура), сколько способ ее укладки в пространстве. По всей длине полипептидной цепи ионы водорода образуют регулярные водородные связи, которые придают ей форму спирали либо слоя (вторичная структура). Из комбинации таких спиралей и слоев возникает компактная форма следующего порядка – третичная структура белка. Вокруг связей, удерживающих мономерные звенья цепи, возможны повороты на небольшие углы. Поэтому с чисто геометрической точки зрения число возможных конфигураций для любой полипептидной цепи бесконечно велико. В действительности же каждый белок существует в норме только в одной конфигурации, определяемой его аминокислотной последовательностью. Структура эта не жесткая, она как бы « дышит» – колеблется вокруг некой средней конфигурации. Цепь складывается в такую конфигурацию, при которой свободная энергия (способность производить работу) минимальна, подобно тому как отпущенная пружина сжимается лишь до состояния, соответствующего минимуму свободной энергии. Нередко одна часть цепи бывает жестко сцеплена с другой дисульфидными (– S–S–) связями между двумя остатками цистеина. Отчасти именно поэтому цистеин среди аминокислот играет особо важную роль.

Сложность строения белков столь велика, что пока еще невозможно вычислить третичную структуру белка, если даже известна его аминокислотная последовательность. Но если удается получить кристаллы белка, то его третичную структуру можно определить по дифракции рентгеновских лучей.

У структурных, сократительных и некоторых других белков цепи вытянуты и несколько лежащих рядом слегка свернутых цепей образуют фибриллы; фибриллы, в свою очередь, складываются в более крупные образования – волокна. Однако большинство белков в растворе имеет глобулярную форму: цепи свернуты в глобуле, как пряжа в клубке. Свободная энергия при такой конфигурации минимальна, поскольку гидрофобные («отталкивающие воду») аминокислоты скрыты внутри глобулы, а гидрофильные («притягивающие воду») находятся на ее поверхности.

Многие белки – это комплексы из нескольких полипептидных цепей. Такое строение называется четвертичной структурой белка. Молекула гемоглобина, например, состоит из четырех субъединиц, каждая из которых представляет собой глобулярный белок.

Структурные белки благодаря своей линейной конфигурации образуют волокна, у которых предел прочности на разрыв очень высок, глобулярная же конфигурация позволяет белкам вступать в специфические взаимодействия с другими соединениями. На поверхности глобулы при правильной укладке цепей возникают определенной формы полости, в которых размещены реакционноспособные химические группы. Если данный белок – фермент, то другая, обычно меньшая, молекула какого-то вещества входит в такую полость подобно тому, как ключ входит в замок; при этом меняется конфигурация электронного облака молекулы под влиянием находящихся в полости химических групп, и это вынуждает ее определенным образом реагировать. Таким способом фермент катализирует реакцию. В молекулах антител тоже имеются полости, в которых различные чужеродные вещества связываются и тем самым обезвреживаются. Модель «ключа и замка», объясняющая взаимодействие белков с другими соединениями, позволяет понять специфичность ферментов и антител, т.е. их способность реагировать только с определенными соединениями.

Читайте также:  Анализ на аллерген молочного белка

Белки у разных видов организмов. Белки, выполняющие одну и ту же функцию у разных видов растений и животных и потому носящие одно и то же название, имеют и сходную конфигурацию. Они, однако, несколько различаются по своей аминокислотной последовательности. По мере того как виды дивергируют от общего предка, некоторые аминокислоты в определенных положениях замещаются в результате мутаций другими. Вредные мутации, являющиеся причиной наследственных болезней, выбраковываются естественным отбором, но полезные или по крайней мере нейтральные могут сохраняться. Чем ближе друг к другу два каких-нибудь биологических вида, тем меньше различий обнаруживается в их белках.

Некоторые белки меняются относительно быстро, другие весьма консервативны. К последним принадлежит, например, цитохром с – дыхательный фермент, имеющийся у большинства живых организмов. У человека и шимпанзе его аминокислотные последовательности идентичны, а в цитохроме с пшеницы иными оказались лишь 38% аминокислот. Даже сравнивая человека и бактерии, сходство цитохромов с (различия затрагивают здесь 65% аминокислот) все еще можно заметить, хотя общий предок бактерии и человека жил на Земле около двух миллиардов лет назад. В наше время сравнение аминокислотных последовательностей часто используют для построения филогенетического (генеалогического) древа, отражающего эволюционные связи между разными организмами.

Денатурация. Синтезированная молекула белка, складываясь, приобретает свойственную ей конфигурацию. Эта конфигурация, однако, может разрушиться при нагревании, при изменении рН, под действием органических растворителей и даже при простом взбалтывании раствора до появления на его поверхности пузырьков. Измененный таким образом белок называют денатурированным; он утрачивает свою биологическую активность и обычно становится нерастворимым. Хорошо знакомые всем примеры денатурированного белка – вареные яйца или взбитые сливки. Небольшие белки, содержащие всего лишь около сотни аминокислот, способны ренатурировать, т.е. вновь приобретать исходную конфигурацию. Но большинство белков превращается при этом просто в массу спутанных полипептидных цепей и прежнюю конфигурацию не восстанавливает.

Одна из главных трудностей при выделении активных белков связана с их крайней чувствительностью к денатурации. Полезное применение это свойство белков находит при консервировании пищевых продуктов: высокая температура необратимо денатурирует ферменты микроорганизмов, и микроорганизмы погибают.

Для синтеза белка живой организм должен располагать системой ферментов, способных присоединять одну аминокислоту к другой. Необходим также источник информации, которая бы определяла, какие именно аминокислоты следует соединять. Поскольку в организме имеются тысячи видов белков и каждый из них состоит в среднем из нескольких сотен аминокислот, необходимая информация должна быть поистине огромной. Хранится она (подобно тому, как хранится запись на магнитной ленте) в молекулах нуклеиновых кислот, из которых состоят гены. См . также НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ; НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ.

Активация ферментов. Синтезированная из аминокислот полипептидная цепь – это далеко не всегда белок в его окончательной форме. Многие ферменты синтезируются сначала в виде неактивных предшественников и переходят в активную форму лишь после того, как другой фермент удалит на одном из концов цепи несколько аминокислот. В такой неактивной форме синтезируются некоторые из пищеварительных ферментов, например трипсин; эти ферменты активируются в пищеварительном тракте в результате удаления концевого фрагмента цепи. Гормон инсулин, молекула которого в активной форме состоит из двух коротких цепей, синтезируется в виде одной цепи, т.н. проинсулина. Затем средняя часть этой цепи удаляется, а оставшиеся фрагменты связываются друг с другом, образуя активную молекулу гормона. Сложные белки образуются лишь после того, как к белку будет присоединена определенная химическая группа, а для этого присоединения часто тоже требуется фермент.

Метаболический кругооборот. После скармливания животному аминокислот, меченных радиоактивными изотопами углерода, азота или водорода, метка быстро включается в его белки. Если меченые аминокислоты перестают поступать в организм, то количество метки в белках начинает снижаться. Эти эксперименты показывают, что образовавшиеся белки не сохраняются в организме до конца жизни. Все они, за немногими исключениями, находятся в динамичном состоянии, постоянно распадаются до аминокислот, а затем вновь синтезируются.

Некоторые белки распадаются, когда гибнут и разрушаются клетки. Это постоянно происходит, например, с эритроцитами и клетками эпителия, выстилающего внутреннюю поверхность кишечника. Кроме того, распад и ресинтез белков протекают и в живых клетках. Как ни странно, о распаде белков известно меньше, чем об их синтезе. Ясно, однако, что в распаде участвуют протеолитические ферменты, сходные с теми, которые расщепляют белки до аминокислот в пищеварительном тракте.

Период полураспада у разных белков различен – от нескольких часов до многих месяцев. Единственное исключение – молекулы коллагена. Однажды образовавшись, они остаются стабильными, не обновляются и не замещаются. Со временем, однако, меняются некоторые их свойства, в частности эластичность, а поскольку они не обновляются, следствием этого оказываются определенные возрастные изменения, например появление морщин на коже.

Синтетические белки. Химики давно уже научились полимеризовать аминокислоты, но аминокислоты соединяются при этом неупорядоченно, так что продукты такой полимеризации мало похожи на природные. Правда, имеется возможность соединять аминокислоты в заданном порядке, что позволяет получать некоторые биологически активные белки, в частности инсулин. Процесс достаточно сложен, и таким способом удается получать лишь те белки, в молекулах которых содержится около сотни аминокислот. Предпочтительнее вместо этого синтезировать или выделить нуклеотидную последовательность гена, соответствующую желаемой аминокислотной последовательности, а затем ввести этот ген в бактерию, которая и будет вырабатывать путем репликации большое количество нужного продукта. У этого метода, впрочем, тоже есть свои недостатки. См . также ГЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ.

Когда белки в организме распадаются до аминокислот, эти аминокислоты могут быть снова использованы для синтеза белков. В то же время и сами аминокислоты подвержены распаду, так что они реутилизируются не полностью. Ясно также, что в период роста, при беременности и заживлении ран синтез белков должен превышать распад. Некоторые же белки организм непрерывно теряет; это белки волос, ногтей и поверхностного слоя кожи. Поэтому для синтеза белков каждый организм должен получать аминокислоты с пищей.

Источники аминокислот. Зеленые растения синтезируют из СО 2 , воды и аммиака или нитратов все 20 аминокислот, встречающихся в белках. Многие бактерии тоже способны синтезировать аминокислоты при наличии сахара (или какого-нибудь его эквивалента) и фиксированного азота, но и сахар, в конечном счете, поставляется зелеными растениями. У животных способность к синтезу аминокислот ограниченна; они получают аминокислоты, поедая зеленые растения или других животных. В пищеварительном тракте поглощенные белки расщепляются до аминокислот, последние всасываются, и уже из них строятся белки, характерные для данного организма. Ни один поглощенный белок не включается в структуры тела как таковой. Единственное исключение заключается в том, что у многих млекопитающих часть материнских антител может в интактном виде попасть через плаценту в кровоток плода, а через материнское молоко (особенно у жвачных) быть передано новорожденному сразу же после его появления на свет.

Потребность в белках. Ясно, что для поддержания жизни организм должен получать с пищей некоторое количество белков. Однако размеры этой потребности зависят от ряда факторов. Организму необходима пища и как источник энергии (калорий), и как материал для построения его структур. На первом месте стоит потребность в энергии. Это значит, что, когда углеводов и жиров в рационе мало, пищевые белки используются не для синтеза собственных белков, а в качестве источника калорий. При длительном голодании даже собственные белки расходуются на удовлетворение энергетических нужд. Если же углеводов в рационе достаточно, то потребление белков может быть снижено.

Азотистый баланс. В среднем ок. 16% всей массы белка составляет азот. Когда входившие в состав белков аминокислоты расщепляются, содержавшийся в них азот выводится из организма с мочой и (в меньшей мере) с калом в виде различных азотистых соединений. Удобно поэтому для оценки качества белкового питания использовать такой показатель, как азотистый баланс, т.е. разность (в граммах) между количеством азота, поступившего в организм, и количеством выведенного азота за сутки. При нормальном питании у взрослого эти количества равны. У растущего организма количество выведенного азота меньше количества поступившего, т.е. баланс положителен. При нехватке белков в рационе баланс отрицателен. Если калорий в рационе достаточно, но белки в нем полностью отсутствуют, организм сберегает белки. Белковый обмен при этом замедляется, и повторная утилизация аминокислот в синтезе белка идет с максимально возможной эффективностью. Однако потери неизбежны, и азотистые соединения все же выводятся с мочой и частично с калом. Количество азота, выведенного из организма за сутки при белковом голодании, может служить мерой суточной нехватки белка. Естественно предположить, что, введя в рацион количество белка, эквивалентное этому дефициту, можно восстановить азотистый баланс. Однако это не так. Получив такое количество белка, организм начинает использовать аминокислоты менее эффективно, так что для восстановления азотистого баланса требуется некоторое дополнительное количество белка.

Если количество белка в рационе превышает необходимое для поддержания азотистого баланса, то вреда от этого, по-видимому, нет. Избыток аминокислот просто используется как источник энергии. В качестве особенно яркого примера можно сослаться на эскимосов, которые потребляют мало углеводов и примерно в десять раз больше белка, чем требуется для поддержания азотистого баланса. В большинстве случаев, однако, использование белка в качестве источника энергии невыгодно, поскольку из определенного количества углеводов можно получить намного больше калорий, чем из такого же количества белка. В бедных странах население получает необходимые калории за счет углеводов и потребляет минимальное количество белка.

Если необходимое число калорий организм получает в форме небелковых продуктов, то минимальное количество белка, обеспечивающее поддержание азотистого баланса, составляет для взрослого человека ок. 30 г в день. Примерно столько белка содержится в четырех ломтиках хлеба или 0,5 л молока. Оптимальным считают обычно несколько большее количество; рекомендуется от 50 до 70 г.

Незаменимые аминокислоты. До сих пор белок рассматривался как нечто целое. Между тем для того, чтобы мог идти синтез белка, в организме должны присутствовать все необходимые аминокислоты. Некоторые из аминокислот организм животного сам способен синтезировать. Их называют заменимыми, поскольку они не обязательно должны присутствовать в рационе, – важно лишь, чтобы в целом поступление белка как источника азота было достаточным; тогда при нехватке заменимых аминокислот организм может синтезировать их за счет тех, что присутствуют в избытке. Остальные, «незаменимые», аминокислоты не могут быть синтезированы и должны поступать в организм с пищей. Для человека незаменимыми являются валин, лейцин, изолейцин, треонин, метионин, фенилаланин, триптофан, гистидин, лизин и аргинин. (Хотя аргинин и может синтезироваться в организме, его относят к незаменимым аминокислотам, поскольку у новорожденных и растущих детей он образуется в недостаточном количестве. С другой стороны, для человека зрелого возраста поступление некоторых из этих аминокислот с пищей может стать необязательным.)

Этот список незаменимых аминокислот приблизительно одинаков также и у других позвоночных и даже у насекомых. Питательную ценность белков обычно определяют, скармливая их растущим крысам и следя за прибавкой веса животных.

Питательная ценность белков. Питательную ценность белка определяют по той незаменимой аминокислоте, которой более всего не хватает. Проиллюстрируем это на примере. В белках нашего тела содержится в среднем ок. 2% триптофана (по весу). Допустим, что в рацион входит 10 г белка, содержащего 1% триптофана, и что других незаменимых аминокислот в нем достаточно. В нашем случае 10 г этого неполноценного белка по сути эквивалентны 5 г полноценного; остальные 5 г могут послужить только источником энергии. Отметим, что, поскольку аминокислоты в организме практически не запасаются, а для того чтобы мог идти синтез белка, должны одновременно присутствовать все аминокислоты, эффект от поступления незаменимых аминокислот можно обнаружить лишь в том случае, если все они поступят в организм одновременно .

Усредненный состав большей части животных белков близок к усредненному составу белков человеческого тела, так что аминокислотная недостаточность нам вряд ли грозит, если наш рацион богат такими продуктами, как мясо, яйца, молоко и сыр. Однако есть белки, например желатин (продукт денатурации коллагена), которые содержат очень мало незаменимых аминокислот. Растительные белки, хотя они в этом смысле и лучше желатина, тоже бедны незаменимыми аминокислотами; особенно мало в них лизина и триптофана. Тем не менее и чисто вегетарианскую диету вовсе нельзя считать вредной, если только при этом потребляется несколько большее количество растительных белков, достаточное для того, чтобы обеспечить организм незаменимыми аминокислотами. Больше всего белка содержится у растений в семенах, особенно в семенах пшеницы и различных бобовых культур. Богаты белком также и молодые побеги, например у спаржи.

Синтетические белки в рационе. Добавляя небольшие количества синтетических незаменимых аминокислот или богатых ими белков к неполноценным белкам, например к белкам кукурузы, можно значительно повысить питательную ценность последних, т.е. тем самым как бы увеличить количество потребляемого белка. Другая возможность состоит в выращивании бактерий или дрожжей на углеводородах нефти с добавлением нитратов или аммиака в качестве источника азота. Полученный таким путем микробный белок может служить кормом для домашней птицы или скота, а может и непосредственно потребляться человеком. Третий, широко применяющийся, метод использует особенности физиологии жвачных животных. У жвачных в начальном отделе желудка, т.н. рубце, обитают особые формы бактерий и простейших, которые превращают неполноценные растительные белки в более полноценные микробные белки, а эти, в свою очередь, – после переваривания и всасывания – превращаются в животные белки. К корму скота можно добавить мочевину – дешевое синтетическое азотсодержащее соединение. Обитающие в рубце микроорганизмы используют азот мочевины для превращения углеводов (которых в корме значительно больше) в белок. Около трети всего азота в корме скота может поступать в виде мочевины, что по сути и означает в определенной мере химический синтез белка. В США этот метод играет важную роль как один из способов получения белка.

Марри Р., Греннер Д., Мейес П., Родуэлл В. Биохимия человека , тт. 1–2. М., 1993
Албертс Б., Брей Д., Льюс Дж. и др. Молекулярная биология клетки , тт. 1–3. М., 1994

источник