ВКР на тему: "Строение, свойства и функции белков"

 

 

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Пензенский государственный технологический университет»

(ПензГТУ)

выпускная квалификационная работа

по дополнительной профессиональной программе:

«Педагог профессионального образования. Биология в

организациях профессионального образования»

на тему:

 «Строение, свойства и функции белков»

                                                                              Выполнил:

                                                                    Назаренко Ольга Владимировна

                                                                              ПРОВЕРИЛ:

Пенза, 2016

 

Содержание:

1.     Введение.

2.     Биологические функции белков.

3.     Аминокислотный состав белков и их классификация.

4.     Строение белков.

5.     Свойства белков.

6.     Анализ белка  кератина.

7.     Заключение.

8.     Список литературы.

9.     Приложение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение

Белки или протеины (что в переводе с греческого означает «первые» или «важнейшие»), количественно преобладают над всеми макромолекулами, присутствующими в живой клетке, и составляют более половины сухого веса большинства организмов. Представления о белках как о классе соединений сформировались в XVII-XIX вв. В этот период из разнообразных объектов живого мира (семена и соки растений, мышцы, кровь, молоко) были выделены вещества, обладающие сходными свойствами: они образовывали вязкие растворы, свертывались при нагревании, при горении ощущался запах паленой шерсти и выделялся аммиак. Поскольку все эти свойства ранее были известны для яичного белка, то новый класс соединений назвали белками. После появления в начале XIX вв. Более совершенных методов анализа веществ определили элементный состав белков. В них обнаружили С, Н, О, N, S. К концу XIX вв. Из белков было выделено свыше 10 аминокислот. Исходя из результатов изучения продуктов гидролиза белков, немецкий химик Э.Фишер (1852-1919) предположил, что белки построены из аминокислот.

В результате работ Фишера стало ясно, что белки представляют собой линейные полимеры a-аминокислот, соединенных друг с другом амидной (пептидной) связью, а все многообразие представителей этого класса соединений могло быть объяснено различиями аминокислотного состава и порядка чередования разных аминокислот в цепи полимера.

Первые исследования белков проводились со сложными белковыми смесями, например, с сывороткой крови, яичным белком, экстрактами растительных и животных тканей. Позже были разработаны методы выделения и очистки белков, такие как осаждение, диализ, хроматография на целлюлозных и других гидрофильных ионообменниках, гель-фильтрация, электрофорез.

На современном этапе основными направлениями изучения белков являются следующие:

¨ изучение пространственной структуры индивидуальных белков;

¨ изучение биологических функций разных белков;

¨ изучение механизмов функционирования индивидуальных белков (на уровне отдельных атомов, атомных групп молекулы белка).

Все эти этапы взаимосвязаны, ведь одна из основных задач биохимии как раз и состоит в том, чтобы понять, каким образом аминокислотные последовательности разных белков дают им возможность выполнять биологические функции.

2.Биологические функции белков

Каталитическая функция

Ферменты - это биологические катализаторы, самый многообразный, многочисленный класс белков. Почти все химические реакции, в которых участвуют присутствующие в клетке органические биомолекулы, катализируются ферментами. Настоящему времени открыто более 2000 различных ферментов. Выделяют 6 классов ферментов:

КФ 1: Оксидоредуктазы активизируют окислительно-восстановительные реакции;

КФ 2: Трансферазы активизируют перенос химических групп с одной молекулы субстрата на другую;

КФ 3: Гидролазы активизируют гидролиз химических связей;

КФ 4: Лиазы активизируют разрыв химических связей без гидролиза с формированием двойной связи в одном из продуктов;

КФ 5: Изомеразы активизируют структурные или геометрические превращения в молекуле субстрата;

КФ 6: Лигазы активизируют формирование химических связей между субстратами за счёт гидролиза дифосфатной связи АТФ или трифосфата.

Транспортная функция

Транспортные белки - Транспортные белки плазмы крови связывают и переносят специфические молекулы или ионы из одного органа в другой. Например, гемоглобин, содержащийся в эритроцитах, при прохождении через легкие связывает кислород и доставляет его к периферическим тканям, где кислород освобождается. Плазма крови содержит липопротеины, осуществляющие перенос липидов из печени в другие органы. В клеточных мембранах присутствует еще один клеточный тип транспортных белков, способных связывать определенные молекулы (напр., глюкозу) и переносить их через мембрану внутрь клетки.

Запасная (резервная) функция

Пищевые и запасные белки. В виде белков может запасаться энергия и другие вещества в семенах растений и яйцеклетках животных. Определенные белки являются источником аминокислот. Наиболее известными примерами таких белков служат белки семян пшеницы, кукурузы, риса. К пищевым белкам относится яичный альбумин - основной компонент яичного белка, казеин - главный белок молока.

Моторная (двигательная) функция

Сократительные и двигательные белки. Моторные белки отвечают за движение организма. Сюда относится локомоция, перемещение клеток внутри организма (например, амебоидное движение лейкоцитов), движение ресничек и жгутиков, а также направленный и активный внутриклеточный транспорт. Например, актин и миозин - белки, функционирующие в сократительной системе скелетной мышцы, а также во многих не мышечных тканях.

Структурная функция

Структурные белки. Структурные белки отвечают за форму клеток и органов. Коллаген - главный компонент хрящей и сухожилий. Этот белок имеет очень высокую прочность на разрыв. Связки содержат эластин - структурный белок, способный растягиваться в двух измерениях. Волосы, ногти состоят почти исключительно из прочного нерастворимого белка - кератина. Главным компонентом шелковых нитей и паутины служит белок фиброин.

Защитная функция

Защитные белки.  Существует несколько типов угроз, от которых белки призваны оберегать организм.

Во-первых, химическая атака травмирующих реагентов, газов, молекул, веществ различного спектра действия. Пептиды способны вступать с ними в химическое взаимодействие, переводя в безобидную форму или же просто нейтрализуя.

Во-вторых, физическая угроза со стороны ран - если белок фибриноген вовремя не трансформируется в фибрин на месте травмы, то кровь не свернется, а значит, закупорка не произойдет. Затем, наоборот, понадобится пептид плазмин, способный сгусток рассосать и восстановить проходимость сосуда.

В-третьих, угроза иммунитету. Строение и значение белков, формирующих иммунную защиту, крайне важны. Антитела, иммуноглобулины, интерфероны - все это важные и значимые элементы лимфатической и иммунной системы человека. Любая чужеродная частица, вредоносная молекула, отмершая часть клетки или целая структура подвергается немедленному исследованию со стороны пептидного соединения. Именно поэтому человек может самостоятельно, без помощи лекарственных средств, ежедневно защищать себя от инфекций и несложных вирусов.

Регуляторная функция

Регуляторные белки. Все реакции клетки управляются белками, они регулируют продвижение клетки по клеточному циклу, трансляцию, транскрипцию, активность других белков и др. К ним относятся многие гормоны, такие как инсулин (регулирует обмен глюкозы). Часто данную функцию объединяют с сигнальной, так как многие внутриклеточные управляющие белки также выполняют передачу сигналов. (Таблица 1).

3.Аминокислотный состав белков и их классификация.

Белки - высокомолекулярные органические соединения, состоящие из остатков α-аминокислот. В состав белков входят 20 α-аминокислот: глицин, аланин, валин, лейцин, серин, глутаминовая кислота, глутамин, лизин, аргинин, пролин, аспарагиновая кислота, аспарагин, изолейцин, треонин, фенилаланин, тирозин, цистеин, метионин, гистидин, триптофан и некоторые производные этих аминокислот, образующиеся в белковой молекуле после матричного синтеза полипептидной цепи.

Частота, с какой аминокислоты встречаются в белках, неодинакова. Например, глицин обнаруживается в 10 раз чаще, чем триптофан.

В состав белков входят углерод, водород, азот, кислород, сера. Часть белков образует комплексы с другими молекулами, содержащими фосфор, железо, цинк и медь.

Белки обладают большой молекулярной массой: яичный альбумин - 36 000, гемоглобин - 152 000, миозин - 500 000. Для сравнения: молекулярная масса спирта - 46, уксусной кислоты - 60, бензола - 78.

Белки - непериодические полимеры, мономерами которых являются α-аминокислоты.

 В аминокислотах различают:

1) карбоксильную группу (–СООН),

2) аминогруппу (–NH2),

3) радикал или R-группу (остальная часть молекулы), отличается у разных видов аминокислот.

В зависимости от аминогрупп и карбоксильных групп различают:

- нейтральные аминокислоты, содержащие одну карбоксильную группу и одну аминогруппу;

- основные аминокислоты, содержащие более одной аминогруппы;

- кислые аминокислоты, содержащие более одной карбоксильной группы.

Поэтому аминокислоты проявляют амфотерные свойства.

 Обычно в качестве мономеров белков называют 20 видов α-аминокислот, хотя в клетках и тканях их обнаружено свыше 170.

В зависимости от того, могут ли аминокислоты синтезироваться в организме человека и других животных, различают: заменимые аминокислоты - могут синтезироваться; незаменимые аминокислоты - не могут синтезироваться. Незаменимые аминокислоты должны поступать в организм вместе с пищей. Растения синтезируют все виды аминокислот.

В зависимости от аминокислотного состава, белки бывают: полноценными - содержат весь набор аминокислот; неполноценными - какие-то аминокислоты в их составе отсутствуют. Если белки состоят только из аминокислот, их называют простыми. Если белки содержат помимо аминокислот еще и неаминокислотный компонент (простетическую группу), их называют сложными. Простетическая группа может быть представлена:

- Гликопротеины, включают углеводы;

- Липопротеины включают липиды;

- Металлопротеиды включают ионы металлов;

- Нуклеопротеиды включают ДНК или РНК;

- Фосфопротеины включают части фосфорной кислоты;

- Хромопротеиды включают окрашенные остатки различной химической природы.

В зависимости от строения выделяют группы белков:

- Фибриллярные белки, их строение высокорегулярно, формируют полимерные соединения. Состоят из пучков полипептидных цепей, спирально навитых друг на друга и связанных между собой поперечными ковалентными или водородными связями (кератин, миозин, коллаген, фибрин).

- Глобулярные белки имеют сферическую форму, являются водорастворимыми. Они характеризуются компактной упаковкой полипептидных цепей. Примеры глобулярных белков: многие ферменты, инсулин, глобулин, белки плазмы крови, гемоглобин.

- Мембранные белки — имеют пересекающие клеточную мембрану домены, но части их выступают из мембраны в межклеточное окружение и цитоплазму клетки.

Классификация белков по растворимости:

Альбумины. Растворимы в воде и солевых растворах.

Глобулины. Слаборастворимы в воде, но хорошо растворимы в солевых растворах.

Проламины. Растворимы в 70-80% этаноле, нерастворимы в воде и абсолютном спирте. Богаты аргинином.

Гистоны. Растворимы в солевых растворах.

Склеропротеины. Нерастворимы в воде и солевых растворах. Повышено содержание глицина, аланина, пролина.

 

 

 

 

4.Строение белков.

В организме человека тысячи различных белков и практически все они построены из стандартного набора 20 аминокислот. Остов белковой цепи построен из аминокислотных фрагмен­тов, соединенных пептидной связью, и окружен разнообразными по химической природе заместителями. Пептидная связь в бел­ках устойчива при 37°С в нейтральной среде, но в кислой или щелочной среде может гидролизоваться. В организме гидролиз белка осуществляется под действием ферментов пептидаз и стро­го контролируется.

В природных белках широко варьируются длина и состав це­пи, что позволяет их молекулам даже в растворе принимать многообразные конформации.

Конформации макромолекулы белка в растворе представ­ляют собой различные ее пространственные формы, воз­никающие в результате поворотов отдельных молекуляр­ных фрагментов вокруг ординарных связей и стабили­зирующиеся за счет межмолекулярных связей между отдельными группами данной макромолекулы или молеку­лами веществ, находящимися в окружающем растворе.

Взаимные переходы конформации в основном осуществляют­ся без разрыва ковалентных связей в макромолекуле белка. При описании состава и конформации белка используют понятия пер­вичная, вторичная, третичная и четвертичная структуры.

 Первичная структура белка — последовательность расположения аминокислотных остатков в полипептидной цепи, составляющей молекулу белка. Связь между аминокислотами — пептидная. Если молекула белка состоит всего из 10 аминокислотных остатков, то число теоретически возможных вариантов белковых молекул, отличающихся порядком чередования аминокислот, — 1020. Имея 20 аминокислот, можно составить из них еще большее количество разнообразных комбинаций. В организме человека обнаружено порядка десяти тысяч различных белков, которые отличаются как друг от друга, так и от белков других организмов.

 Работы по выяснению первичной структуры белка впервые были выполнены в Кембриджском университете на примере одного из простейших белков - инсулина. В течение 10 лет английский биохимик Ф.Сенгер проводил анализ инсулина. В результате анализа выяснено, что молекула инсулина состоит из двух полипептидных цепей и содержит 51 аминокислотный остаток. Он установил, что инсулин имеет молярную массу 5687 г/моль, а его химический состав отвечает формуле C₂₅₄H₃₃₇N₆₅O₇₅S₆. Анализ проводился вручную с использованием ферментов, которые избирательно гидролизуют пептидные связи между определёнными аминокислотными остатками.

В настоящее время большая часть работы по определению первичной структуры белков автоматизирована. Так была установлена первичная структура фермента лизоцима. (Рис. 1)

Именно первичная структура белковой молекулы определяет свойства молекул белка и ее пространственную конфигурацию. Замена всего лишь одной аминокислоты на другую в полипептидной цепочке приводит к изменению свойств и функций белка. Например, замена в β-субъединице гемоглобина шестой глутаминовой аминокислоты на валин приводит к тому, что молекула гемоглобина в целом не может выполнять свою основную функцию — транспорт кислорода; в таких случаях у человека развивается заболевание — серповидноклеточная анемия.

Вторичная структура — упорядоченное свертывание полипептидной цепи в спираль (имеет вид растянутой пружины). Витки спирали укрепляются водородными связями, возникающими между карбоксильными группами и аминогруппами. Практически все СО- и NН-группы принимают участие в образовании водородных связей. Они слабее пептидных, но, повторяясь многократно, придают данной конфигурации устойчивость и жесткость. На уровне вторичной структуры существуют белки: фиброин (шелк, паутина), кератин (волосы, ногти), коллаген (сухожилия). (Рис. 2)

Выделяют два типа вторичной структуры: a-спираль и b- структуру (складчатый слой). (Рис. 3)

a-Спираль представляет из себя правую спираль с одинаковым шагом, равным 3,6 аминокислотных остатков. a-Спираль стабилизируется внутримолекулярными водородными связями, возникающими между атомами водорода одной пептидной связи и атомами кислорода четвертой по счету пептидной связи.

Боковые заместители расположены перпендикулярно плоскости a-спирали.
В результате получается, что a- спираль пронизана водородными связями и является очень устойчивой структурой. При образовании такой спирали работают две тенденции:

¨ молекула стремится к минимуму энергии, т.е. к образованию наибольшего числа водородных связей;

¨ из-за жесткости пептидной связи сблизиться в пространстве могут лишь первая и четвертая пептидные связи.

В складчатом слое пептидные цепи располагаются параллельно друг другу, образуя фигуру, подобную листу, сложенному гармошкой. Пептидных цепей, взаимодействующих между собой водородными связями, может быть большое количество. Расположены цепи антипараллельно. Чем больше пептидных цепей входит в состав складчатого слоя, тем прочнее молекула белка.

Сравним свойства белковых материалов шерсти и шелка и объясним различие в свойствах этих материалов с точки зрения строения белков, из которых они состоят.

Кератин - белок шерсти - имеет вторичную структуру a-спираль. Шерстяная нить не такая прочная, как шелковая, легко растягивается в мокром состоянии. Это свойство объясняется тем, что при приложении нагрузки водородные связи рвутся и спираль растягивается.

Фиброин - белок шелка - имеет вторичную b-структуру. Шелковая нить не вытягивается и является очень прочной на разрыв. Это свойство объясняется тем, что в складчатом слое взаимодействуют между собой водородными связями много пептидных цепей, что делает эту структуру очень прочной.

Аминокислоты различаются по способности участвовать в образовании a-спиралей и b-структур. Редко встречаются в a-спиралях глицин, аспаргин, тирозин. Пролин дестабилизирует a-спиральную структуру. В состав b-структур входит глицин, почти не встречаются пролин, глютаминовая кислота, аспаргин, гистидин, лизин, серин.

В структуре одного белка могут находиться участки b-структур, a-спиралей и нерегулярные участки. На нерегулярных участках пептидная цепь может сравнительно легко изгибаться, менять конформацию, в то время, как спираль и складчатый слой представляют собой достаточно жесткие структуры. Содержание b-структур и a-спиралей в разных белках неодинаково.

Третичная структура — укладка полипептидных цепей в глобулы, возникающая в результате возникновения химических связей (водородных, ионных, дисульфидных) и установления гидрофобных взаимодействий между радикалами аминокислотных остатков. Основную роль в образовании третичной структуры играют гидрофильно-гидрофобные взаимодействия. В водных растворах гидрофобные радикалы стремятся спрятаться от воды, группируясь внутри глобулы, в то время как гидрофильные радикалы в результате гидратации (взаимодействия с диполями воды) стремятся оказаться на поверхности молекулы. У некоторых белков третичная структура стабилизируется дисульфидными ковалентными связями, возникающими между атомами серы двух остатков цистеина. На уровне третичной структуры существуют ферменты, антитела, некоторые гормоны. (Рис. 4)

Пред­ставление о третичной структуре молекул белков миоглобина и лизоцима дает (Рис. 5). На рисунке заштрихованный диск в молекуле миоглобина - это гем, содержащий порфириновый лиганд и комплексообразователь катион Fe²⁺. В молекуле лизо­цима показаны S—S дисульфидные мостики, участвующие в стабилизации третичной структуры этого белка.

Третичная структура белка, по сравнению с его вторичной структурой, еще более чувствительна к внешним воздействиям. Поэтому действие слабых окислителей, смена растворителей, из­менения ионной силы, рН среды и температуры нарушают третич­ную структуру белков.

Способ объединения нескольких молекул белка в одну макромолекулу называют четвертичной структурой белка. Четвертичная структура белка закрепляется в основном за счет водородных связей и вандерваальсовых взаи­модействий, а иногда и дисульфидных связей между объединяе­мыми полипептидными цепями. Молекулярная масса белков с четвертичной структурой может достигать нескольких десятков миллионов. Четвертичная структура белков чувствительна к внеш­ним воздействиям и может ими нарушаться. (Рис. 6)

Ярким примером такого белка может быть гемоглобин. Было установлено, что, например, для взрослого человека молекула гемоглобина состоит из 4-х отдельных субъединиц. (Рис. 7)

 Четвертичная структура белков - еще один пример удивительной мудрости природы. Докажем это на примере функционирования двух белков: миоглобина, обладающего только третичной структурой и гемоглобина, обладающего четвертичной структурой. Миоглобин способен запасать кислород, а гемоглобин обеспечивает его транспорт. Гемоглобин не только переносит кислород от легких к периферическим тканям, но и ускоряет транспорт СО₂ от тканей к легким. Гемоглобин связывает СО₂ сразу после освобождения кислорода (» 15 % всего СО₂). В эритроцитах происходит ферментативный процесс образования угольной кислоты из СО₂, поступающего из тканей: СО₂ + Н₂О = Н₂СО_3. Угольная кислота быстро диссоциирует на НСО₃^- и Н⁺. Для предотвращения опасного повышения кислотности должна существовать буферная система, способная поглощать избыток протонов. Гемоглобин связывает два протона на каждые четыре освободившиеся молекулы кислорода и определяет буферную емкость крови. В легких идет обратный процесс. Высвобождающиеся протоны связываются с бикарбонат- ионом с образованием угольной кислоты, которая под действием фермента превращается в СО₂ и воду, СО₂ выдыхается. Т.о., связывание О₂ тесно сопряжено с выдыханием СО₂. Это обратимое явление известно как эффект Бора. У миоглобина эффекта Бора не обнаруживается.

5.Свойства белков.

Аминокислотный состав, структура белковой молекулы определяют его свойства. Белки сочетают в себе основные и кислотные свойства, определяемые радикалами аминокислот: чем больше кислых аминокислот в белке, тем ярче выражены его кислотные свойства. Способность отдавать и присоединять Н⁺ определяют буферные свойства белков; один из самых мощных буферов - гемоглобин в эритроцитах, поддерживающий рН крови на постоянном уровне. Есть белки растворимые (фибриноген), есть нерастворимые, выполняющие механические функции (фиброин, кератин, коллаген). Есть белки активные в химическом отношении (ферменты), есть химически неактивные, устойчивые к воздействию различных условий внешней среды и крайне неустойчивые.

Внешние факторы (нагревание, ультрафиолетовое излучение, тяжелые металлы и их соли, изменения рН, радиация, обезвоживание) могут вызывать нарушение структурной организации молекулы белка. Процесс утраты трехмерной конформации, присущей данной молекуле белка, называют денатурацией. Причиной денатурации является разрыв связей, стабилизирующих определенную структуру белка. Первоначально рвутся наиболее слабые связи, а при ужесточении условий и более сильные. Поэтому сначала утрачивается четвертичная, затем третичная и вторичная структуры. Изменение пространственной конфигурации приводит к изменению свойств белка и, как следствие, делает невозможным выполнение белком свойственных ему биологических функций. Если денатурация не сопровождается разрушением первичной структуры, то она может быть обратимой, в этом случае происходит самовосстановление свойственной белку конформации. Такой денатурации подвергаются, например, рецепторные белки мембраны. Процесс восстановления структуры белка после денатурации называется ренатурацией. Если восстановление пространственной конфигурации белка невозможно, то денатурация называется необратимой.

 

Жидкокристаллическое состояние. Молекулы белков - дос­таточно крупные образования и имеют фиксированную простран­ственную структуру. Для многих белков характерно жидкокристалли­ческое состояние в определенном температурном интервале. Образование жидкокристаллического состояния или переходы из одного жидкокристаллического со­стояния в другое, сопровождаемые изменением ориентации от­дельных фрагментов молекулы белка или изменением в согласо­ванности движения в системе, не требуют больших энергетиче­ских затрат, но могут привести к изменению его биологических функций. Например, повлиять на сократительную функцию мио­зина мышечных волокон, ферментативную активность, транспорт­ную функцию белков или их защитные свойства относительно коллоидных систем. Так, при определенных условиях молекулы гемоглобина переходят в жидкокристаллическое состояние. Это приводит к ряду патологических нарушений, проявляющихся в потере эластичности эритроцитами. В результате они закупори­вают капилляры, и транспорт кислорода нарушается. Образование камней в моче- или желчевыводящих системах связано с измене­нием не только концентрации, но и состояния защитных белков в этих системах.

Поверхностные свойства белков. Благодаря поверхностно-активным свойствам некоторые белки образуют лиофильные мицеллы (разд. 27.3) с липидами (включая холестерин и его эфиры), называемые липопротеинами. В липопротеинах между молекулами белков и липидов нет ковалентных связей, а есть только межмолекулярные взаи­модействия. Внешняя поверхность липопротеиновой мицеллы состоит из гидрофильных фрагментов белков и молекул фосфо-липидов, а ее внутренняя часть (ядро) представляет собой гид­рофобную среду, в которой растворены жиры, холестерин и его эфиры (рис. 21.6). Наличие в липопротеинах внешней гидро­фильной оболочки делает эти богатые липидами мицеллы "рас­творимыми" в воде и хорошо приспособленными для транспор­та жиров из тонкого кишечника в жировые депо и в различные ткани. Диаметр липопротеиновых мицелл составляет от 7 до 1000 нм.

Информационные свойства белков.

Молекулы белков и отдель­ные их фрагменты рассматриваются как носители биологической информации, в которой роль букв алфавита играют 20 амино­кислотных остатков. В основе считывания этой информации на­ходятся различные виды межмолекулярных взаимодействий и стремление системы использовать их эффективно. Например, в ферментах вблизи активного центра часть белковой молекулы содержит определенные аминокислотные остатки, заместители которых сориентированы в пространстве так, чтобы происходило узнавание строго определенного субстрата, с которым реагирует данный фермент. Аналогично протекает взаимодействие анти­тело - антиген или происходит синтез в организме соответст­вующего антитела на появившийся антиген. Информационные свойства белков лежат в основе иммунитета, представляющего собой целостную систему биологических механизмов самозащиты организма, в основе которых лежат информационные процессы распознавания "свой" и "чужой". "Аминокислотный язык", содержащий 20 единиц, является одним из наиболее оптималь­ных и надежных способов кодирования важной информации для жизнедеятельности живых систем, включающей сведения о форме отдельных органов и организма в целом.

Кислотно-основные свойства.

Белки, как и а-аминокислоты (разд. 8.2), являются полиамфолитами, проявляя кислотные свой­ства за счет неионизованных карбоксильных групп —СООН, аммо­нийных групп тиольных групп —SH, а также n-гидрокси-фенильных групп Основные свойства белки проявляют за счет групп — СОО-, аминогрупп — NH₂, а также замес­тителей имидазола —C₃H₃N₂ и гуанидина —(CH₅N₃)⁺.

Каждый белок характеризуется изоэлектрической точкой (pI) — кислотностью среды (pH), при которой суммарный электрический заряд молекул данного белка равен нулю и, соответственно, они не перемещаются в электрическом поле (например, при электрофорезе). В изоэлектрической точке гидратация и растворимость белка минимальны. Величина pI зависит от соотношения кислых и основных аминокислотных остатков в белке: у белков, содержащих много кислых аминокислотных остатков, изоэлектрические точки лежат в кислой области (такие белки называют кислыми), а у белков, содержащих больше основных остатков, — в щелочной (основные белки). Значение pI данного белка также может меняться в зависимости от ионной силы и типа буферного раствора, в котором он находится, так как нейтральные соли влияют на степень ионизации химических группировок белка. В зависимости от аминокислотного состава белки подразде­ляются на "нейтральные" (рI = 5,0 - 7,0), "кислотные" (рI < 4,0) и "основные", или "щелочные" (рI > 7,5). В кислотных белках повышенное содержание аспарагиновой или глутаминовой кислот, а в "основных" - аргинина, лизина или гистидина. На основе белков в организме действуют белковые буферные сис­темы. (Таблица 2)

Кислотно-основные превращения в моле­кулах белков, естественно, сопровождаются изменением их конформации, а, следовательно, биологических и физиологических функций.

Комплексообразующие свойства.

Вследствие наличия в молекулах белков различных функцио­нальных групп они образуют комплексные соединения разной устойчивости. С малополяризуемыми (жесткими) катионами К⁺ и Na⁺ белки образуют малоустойчивые комплексы, с менее жесткими катионами Mg²⁺ или Са²⁺ белки образуют достаточно прочные комплексы. С катионами d-металлов: железа, меди, марганца, цинка, кобальта, молибдена ("ме­таллы жизни"), достаточно поляризуемыми, т. е. мягкими, бел­ки образуют прочные комплексы. Однако особенно прочные ком­плексы они образуют с катионами металлов-токсикантов: свинца, кадмия, ртути и другими, проявляющими высокую поляризуе­мость, т. е. очень мягкими. Прочные комплексы белков с катио­нами металлов часто называют металлопротеинами.

Множество ферментов представляют собой ком­плексы белка с катионом какого -либо "металла жизни".

Все белки при обработке солями меди в щелочной среде об­разуют хелатный комплекс фиолетового цвета, что является ка­чественной реакцией на белки, которая называется биуретовой реакцией:

Гидролиз.

При кипячении с кислотами или щелочами, а также под действием ферментов белки распадаются на более простые химические соединения, образуя в конце цепочки превращения смесь A-аминокислот. Такое расщепление называется гидролизом белка.  Гидролитический распад белков протекает в любой клетке организма. Гидролиз белков может быть частичным (до пептидов) и полным (до аминокислот). Гидролиз белка имеет большое биологическое значение: попадая в желудок и кишечник животного или человека, белок расщепляется под действием ферментов на аминокислоты. Образовавшиеся аминокислоты в дальнейшем под влиянием ферментов снова образуют белки, но уже характерные для данного организма!

Окислительно-восстановительные свойства.

Белки относи­тельно устойчивы к мягкому окислению, за исключением со­держащих аминокислоту цистеин, так как тиольная группа по­следней легко окисляется в дисульфидную группу, причем про­цесс может носить обратимый характер:

В результате этих превращений происходит изменение конформации белка и его нативных свойств. Поэтому серосодержа­щие белки чувствительны к свободнорадикальному окислению или восстановлению, что происходит при воздействии на организм радиации или токсичных форм кислорода.

Тиол-дисульфидные превращения белка кератина лежат в основе химической завивки волос, так как цистеин и цистин входят в его состав. Сначала волосы обрабатывают восстанови­телем, чтобы разрушить связи —S—S— цистина и превратить в тиольные группы цистеина. Затем волосы укладывают в локо­ны (завивают) и обрабатывают окислителем. При этом образу­ются дисульфидные связи цистина, которые помогают волосам сохранить их новую форму.

При более жестком окислении тиольная группа белков окис­ляется в сульфогруппу практически необратимо:

Жесткое окисление белков до СО2, H2O и аммонийных солей используется организмом для устранения ненужных белков и по­полнения своих энергетических ресурсов (16,5 - 17,2 кДж/г).

Для обнаружения белков, содержащих ароматические и гете­роциклические аминокислоты, используется ксантопротеиновая реакция, которая при действии концентрированной азотной ки­слоты сопровождается появлением желтого окрашивания, пере­ходящего при добавлении щелочи или аммиака в оранжевое:

Именно в результате ксантопротеиновой реакции наблюда­ется желтое окрашивание кожи при попадании на нее концен­трированной азотной кислоты.

Таким образом, для белков характерны: определенная конформация, жидкокристаллическое состояние, поверхностно-активные и информационные свойства, а также все четыре вида химиче­ских реакций: кислотно-основные, комплексообразующие, электрофильно-нуклеофильные и окислительно-восстановительные, лежащие в основе жизнедеятельности любых живых систем. Совокупность всех этих свойств объясняет уникальность белков для всего живого мира.

6.Анализ белка кератина.

Исходя из изложенного материала проведем анализ белка кератина. (Рис. 8)

По классификации кератины — семейство фибриллярных белков, обладающих механической прочностью, которая среди материалов биологического происхождения уступает лишь хитину.

По биологическим функциям кератины – строительные белки. Обладая механической прочностью и нерастворимостью, кератины являются одним из основных компонентов для производных элементов кожи животных, выполняющих защитную функцию. Значительную часть сухого веса наружного слоя кожи составляют α-кератины.

Эластичные α-кератины входят в состав волос, шерсти, ногтей, игл, роговых чехлов рогов, когтей и копыт млекопитающих. Чешуйки и когти пресмыкающихся (в том числе панцирь у черепах), а также перья, роговой чехол клюва и когти у птиц кроме α-кератинов содержат и более жёсткие β-кератины.

У членистоногих, например, ракообразных, β-кератины часто входят в состав экзоскелета вместе с хитином. Китовый ус китов-фильтраторов также состоит из кератина. Кератины могут присутствовать и в составе хитинофосфатных раковин многих плеченогих.

Кроме того, β-кератины формируют шёлковое волокно (которое на 60 % состоит из β-кератина фиброина) и паутину.

История изучения

Исследования α-кератинов стало важнейшим этапом в создании современных предста­влений о значительно более сложных глобулярных белках.

Первые рентгеноструктурные исследования белков начались в 1930-х годах. Английский физик и молекулярный биолог Уильям Астбери (William Astbury) показал, что дифракционная картина от пучка рентгеновского луча, направленного на волос или шерстяную нить (в основном состоящих из α-кератинов), содержит расположенные вдоль оси волоса повторяющиеся структурные единицы длиной около 0,54 нм (нанометров). В результате наблюдений было высказано предположение о том, что поли­пептидные цепи в белках этого семейства не вытянуты полностью, а скручены или свернуты каким-то регулярным образом.

Состав и строение кератина.

Кератин отличается от других белков содержанием большого количества цистина, а, следовательно, и серы. Мягкий кератин отличается меньшим серосодержанием (2-3% серосодержащих аминокислот), менее структурирован и менее устойчив к химическим воздействиям, чем твердый - высоко сульфидный (18% серосодержащих аминокислот), имеющий высокодифференцированную морфологическую структуру. (Таблица 3)

По вторичной структуре белка семейство кератинов разделяется на две группы:

·         α-кератины имеют конформацию в виде плотных витков вокруг длинной оси молекулы (α-спираль); эти кератины являются основой волос (включая шерсть), рогов, когтей и копыт млекопитающих.

·         β-кератины, более твёрдые и имеющие форму несколько зигзагообразных полипептидных цепей (т. н. β-листы); эти кератины обнаружены в когтях и чешуе рептилий, в их панцирях (у черепах), в перьях, клювах и когтях птиц, в иглах дикобразов.

Для первичной структуры α-кератинов характерно большое содержание цистеина и множество дисульфидных связей. Периодичность в чередовании аминокислотных остатков в молекулах отсутствует.

В отличие от α-кератинов поперечные дисульфидные связи между соседними полипептидными цепями у β-кератинов отсутствуют. В полипептидной цепи каждый второй элемент — глицин.

В структуре кератина присутствуют три вида связей:

1. Водородные связи - представляют собой взаимодействие между NH2 и СООН группами. Энергия водородных связей мала (6-8 ккал/моль) и разрушается под действием гидротермических нагрузок и щелочей. Эта связь является обратимой, их количество в структуре очень велико и они выполняют стабилизирующую функцию.

2. Электровалентные (ионные) связи. Энергия этих связей в десять раз больше (80-100 ккал/моль) и они разрушаются при температуре более 60-70°С и действии кислот. Эта связь также является обратимой.

3. Ковалентные связи - CO - NH - К ним относят: пептидную, амидную и ди сульфидную связи. На строение и свойства кератина, а также на изменения его при различных обработках влияет взаимодействие между главными цепями. Главными молекулярными цепями кератина являются цепи, образованные аминокислотными остатками, соединенные пептидными связями.

Свойства

Характерной особенностью α-кератинов является их полная нерастворимость в воде при pH 7,0 и физиологической температу­ре. Данное свойство частично обусловлено тем, что в состав молекулы входит большой процент гидрофобных аминокислотных остатков (фенилаланин, изолейцин, валин, метионин и аланин).

Высокая стабильность и нерастворимость кератина обусловлена большим числом поперечных дисульфидных связей между его пептидными цепями. Разрыв поперечных дисульфидных связей кератина в результате окисления, восстановления или гидролиза приводит к образованию растворимого продукта. Кератин под влиянием кислот и щелочей может претерпевать изменения, связанные с гидролизом дисульфидных связей. Кератин более устойчив к действию кислот, чем к действию щелочей. Химические методы используют как для полного (тотального) гидролиза белков, так и для частичного, а в некоторых случаях, и для точечного (избирательного) разрыва пептидных связей. При обработке шерсти соляной кислотой при температуре 80° С в течение 8 часов гидролизуется около35 % пептидных связей. Волокна шерсти могут быть полностью гидролизованы в соляной кислоте при кипячении в течение 4 часов. Серная кислота при значительных ее концентрациях, кроме действия на различные функциональные группы и связи в кератине, влияет на остатки серина и треонина, содержащие гидроксильные группы. Растворимость кератина в щелочи зависит от ее концентрации, длительности обработки и температуры. В процессе обработки 0,1 н. едким натром при температуре 65°С в течение 1 часа растворяется около 10 % волокон шерсти. Растворимость кератина в щелочи увеличивается, если предварительно разрушить в нем пептидные и дисульфидные связи. Кератин обладает большой устойчивостью к действию ферментов. Однако после восстановления дисульфидных связей он подвергается ферментативному воздействию.

Устойчивость кератина к растворителям и ферментам понижается не только под действием химических реагентов, разрывающих дисульфидные мостики, но также и в результате механических воздействий. Тонко перемолотая шерсть частично растворима в воде и расщепляется под действием протеолитических ферментов. При кипячении шерсти в 2% -ном углекислом натрии происходит гидролиз дисульфидных связей с образованием сульфида.

Длина волокон кератина зависит от содержания в них воды; увеличение длины влажного волоса позволяет использовать его в гигрометре для измерения влажности воздуха. Кератиновые волокна поддаются растяжению и обладают эластическими свойствами.

При сухом нагреве кератин подвергается значительно меньшим изменениям, чем в присутствии воды. Волос в основном сохраняет химические и физические свойства после нагревания при температуре 120°С в течение 24 ч. В процессе нагрева при температуре выше 100°С в кератине образуются новые поперечные связи между карбоксильными и аминогруппами. Свойства кератина изменяются в результате сухого нагрева при температуре выше 160°С.

Разлагаясь, кератин дает, как все белки - аммиак, жирные кислоты, лейцины и тирозины, сероводород.

Использование

α-кератины, получаемые из отходов в мясной промышленности, используют для получения природных аминокислот.

Гидролизованный кератин стал распространенным косметическим ингредиентом. Исследования показали, что местное применение гидролизованного кератина значительно увеличивает эластичность и гидратацию кожи. Из-за его увлажняющих свойств гидролизат кератина также добавляется в шампуни и кондиционеры для волос

Кератином питаются некоторые инфекционные грибки, такие как те, которые вызывают грибок стопы и стригущий лишай.

В медицине модель точной экспрессии подтипов кератина позволяет предсказывать происхождения первичной опухоли в оценке метастазов.

7.Заключение.

Данная работа позволяет еще раз оценить огромную роль белков в процессах развития и жизни человека. Белки являются основой структурных элементов и тканей, поддерживают обмен веществ и энергии, участвуют в процессах роста и размножения, обеспечивают механизмы движений, развитие иммунных реакций, необходимы для функционирования всех органов и систем организма.

Чем глубже мы познаем природу и строение белковых молекул, тем более убеждаемся в исключительном значении получаемых данных для раскрытия тайны жизни. Раскрытие связи между структурой и функцией в белковых веществах - вот краеугольный камень, на котором покоится проникновение в самую глубокую сущность жизненных процессов, вот та основа, которая послужит в будущем исходным рубежом для нового качественного скачка в развитии биологии и медицины.

8.Список литературы:

1.     Шульц Г., Ширмер Р. Принципы структурной организации белков

         Издательство: "Мир", 1987г. – 360с.

2.     Степанов В.М. Молекулярная биология. Том 3. Структура и функции белков. Высш. Школа, 2002г.

3.     Овчинников Ю. А., Шамин А. Н. Строение и функции белков. Издательство: Педагогика, 1983г. – 128с.

           Интернет-ресурсы:

1.     Кератин - www.dictionary.cbio.ru/termin.php?id=541 / Словарь биотехнологических терминов

2.     http://molbiol.edu.ru/ - Новости науки и биотехнологии. Справочник по молекулярной биологии.

3.     http://rpg.da.ru/ - информация по экспериментам в областях: биохимия, биофизика, физиология, генная инженерия

4.     Белки и нуклеиновые кислоты http://school-collection. edu. ru

9.Приложение:

Таблица 1. Функции белков

Функция	Примеры и пояснения
Строительная	Белки участвуют в образовании клеточных и внеклеточных структур: входят в состав клеточных мембран (липопротеины, гликопротеины), волос (кератин), сухожилий (коллаген) и т.д.
Транспортная	Белок крови гемоглобин присоединяет кислород и транспортирует его от легких ко всем тканям и органам, а от них в легкие переносит углекислый газ; в состав клеточных мембран входят особые белки, которые обеспечивают активный и строго избирательный перенос некоторых веществ и ионов из клетки во внешнюю среду и обратно.
Регуляторная	Гормоны белковой природы принимают участие в регуляции процессов обмена веществ. Например, гормон инсулин регулирует уровень глюкозы в крови, способствует синтезу гликогена, увеличивает образование жиров из углеводов.
Защитная	В ответ на проникновение в организм чужеродных белков или микроорганизмов (антигенов) образуются особые белки - антитела, способные связывать и обезвреживать их. Фибрин, образующийся из фибриногена, способствует остановке кровотечений.
Двигательная	Сократительные белки актин и миозин обеспечивают сокращение мышц у многоклеточных животных.
Сигнальная	В поверхностную мембрану клетки встроены молекулы белков, способных изменять свою третичную структуру в ответ на действие факторов внешней среды, таким образом осуществляя прием сигналов из внешней среды и передачу команд в клетку.
Запасающая	В организме животных белки, как правило, не запасаются, исключение: альбумин яиц, казеин молока. Но благодаря белкам в организме могут откладываться про запас некоторые вещества, например, при распаде гемоглобина железо не выводится из организма, а сохраняется, образуя комплекс с белком ферритином.
Энергетическая	При распаде 1 г белка до конечных продуктов выделяется 17,6 кДж. Сначала белки распадаются до аминокислот, а затем до конечных продуктов - воды, углекислого газа и аммиака. Однако в качестве источника энергии белки используются только тогда, когда другие источники (углеводы и жиры) израсходованы.
Каталитическая	Одна из важнейших функций белков. Обеспечивается белками - ферментами, которые ускоряют биохимические реакции, происходящие в клетках. Например, рибулезобифосфаткарбоксилаза катализирует фиксацию СО2 при фотосинтезе.

 Рис. 1 Первичная структура белков.

  Рис.2 Вторичная структура белка

 

 

 

 

 

 

Рис.3 Вторичная структура белков: а - а-структура (спиралевидная), б - В-структура (складчатая)

 

Рис. 4.Третичная структура белка

Рис.5 Третичные структуры: миоглобина (а) и лизоцима (б)

 

Рис. 6 Четвертичная структура белка

Рис. 7 Молекула гемоглабина

Таблица 2. Значение изоэлектрических точек некоторых белков

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 8 Микроскопическое изображение нитей кератина внутри клетки

Углерод	50,65
Водород	7,03
Азот	17,70
Кислород	20,00
Сера	6,10

Таблица 3. Элементарный состав кератина