Строение и биологические свойства белков

Тема№1: Строение и биологические свойства белков

1) Состав, строение и физика – химическое свойства белков

Белки — непериодические полимеры, мономерами которых являются α-аминокислоты. Обычно в качестве мономеров белков называют 20 видов α-аминокислот, хотя в клетках и тканях их обнаружено свыше 170.

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

Индивидуальные белки различаются по своим физико-химическим свойствам: форме молекул, молекулярной массе, суммарному заряду молекулы, соотношению полярных и неполярных групп на поверхности нативной молекулы белка, растворимости белков, а также степени устойчивости к воздействию денатурирующих агентов.

1. Различия белков по форме молекул

Как уже говорилось выше, по форме молекул белки делят на глобулярные и фибриллярные. Глобулярные белки имеют более компактную структуру, их гидрофобные радикалы в большинстве своём спрятаны в гидрофобное ядро, и они значительно лучше растворимы в жидкостях организма, чем фибриллярные белки (исключение составляют мембранные белки).

2. Различия белков по молекулярной массе

Белки - высокомолекулярные соединения, но могут сильно отличаться по молекулярной массе, которая колеблется от 6000 до 1 000 000 Д и выше. Молекулярная масса белка зависит от количества аминокислотных остатков в полипептидной цепи, а для олигомерных белков - и от количества входящих в него протомеров (или субъединиц).

3. Суммарный заряд белков

Белки имеют в своём составе радикалы лизина, аргинина, гистидина, глутаминовой и аспарагиновой кислот, содержащие функциональные группы, способные к ионизации (ионогенные группы). Кроме того, на N- и С-концах полипептидных цепей имеются α-амино- и α-карбоксильная группы, также способные к ионизации. Суммарный заряд белковой молекулы зависит от соотношения ионизированных анионных радикалов Глу и Асп и катионных радикалов Лиз, Apr и Гис.

Степень ионизации функциональных групп этих радикалов зависит от рН среды. При рН раствора около 7 все ионогенные группы белка находятся в ионизированном состоянии. В кислой среде увеличение концентрации протонов (Н+) приводит к подавлению диссоциации карбоксильных групп и уменьшению отрицательного заряда белков: -СОО- + Н+ → -СООН. В щелочной среде связывание избытка ОН" с протонами, образующимися при диссоциации NH3+с образованием воды, приводит к уменьшению положительного заряда белков:

-NH3+ +ОН- → -NH2 + H2O.

2) Методы количественного измерения концентрации белков.

Для количественного определения белка используют колориметрические и спектрофотометрические методы, в некоторых случаях пользуются определением белка по содержанию общего азота в препарате. 

 КОЛИЧЕСТВЕННОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ БЕЛКОВ МЕТОДОМ ЭЛЮИРОВАНИЯ

Несмотря на высокую избирательность метода Лоури, имеется ряд химических соединений, мешающих количественному определению белка данным фотометрическим методом. К ним относятся, например, мочевина, сульфат аммония, гексамины, некоторые углеводы и т. д.

Метод Бредфорда — один из колориметрических методов количественного определения белков в растворе. Предложен биохимиком Мерионом Бредфорд

Метод основан на реакции красителя кумасси (Coomassie Brilliant Blue G-250) с аргинином и гидрофобными аминокислотными остатками. Связанная форма имеет голубую окраску с максимумом поглощения при 595 нм. Таким образом увеличение абсорбции раствора при длине волны, равной 595 нм, пропорционально количеству белка в растворе.[2]

Метод даёт хорошее значение концентрации белка в пределах от 2 мкг/мл до 120 мкг/мл (в этих границах соблюдается линейная зависимость увеличения абсорбции от концентрации, в целом чувствительность метода зависит от соотношения концентраций определяемого белка и красителя: чем больше красителя, тем чувствительней метод), менее «капризный» по сравнению с методом Лоури.

Биуретовый метод — один из колориметрических методов количественного определения белков в растворе.

Основан на образовании биуретового комплекса (имеет фиолетовый цвет) пептидных связей белков с двухвалентными ионами меди. В методе используют т. н. биуретовый реактив, состоящий из KOH, CuSO4 и цитрата натрия (или тартрата натрия). В образовавшемся комплексе медь связана с 4 азотами координационными связями, а с 2 кислородами — электростатическими. Полноценный комплекс образуется лишь с пептидами, состоящими более чем из 4 остатков. Оптическую плотность раствора (прямо пропорциональную концентрации пептида) определяют при 540—560 нм.

К достоинствам метода стоит отнести его низкую чувствительность к посторонним веществам, невысокую погрешность.

3) Уровни структурной организации белковых молекул

Первичная структура — последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи.

Важными особенностями первичной структуры являются консервативные мотивы — устойчивые сочетания аминокислотных остатков, выполняющие определённую функцию и встречающиеся во многих белках.

Вторичная структура — локальное упорядочивание фрагмента полипептидной цепи, стабилизированное водородными связями.

Третичная структура — пространственное строение полипептидной цепи. Структурно состоит из элементов вторичной структуры, стабилизированных различными типами взаимодействий, в которых гидрофобные взаимодействия играют важнейшую роль. В стабилизации третичной структуры принимают участие:

ковалентные связи (между двумя остатками цистеина — дисульфидные мостики);

ионные связи между противоположно заряженными боковыми группами аминокислотных остатков;

водородные связи;

гидрофобные взаимодействия. При взаимодействии с окружающими молекулами воды белковая молекула сворачивается так, чтобы неполярные боковые группы аминокислот оказались изолированы от водного раствора; на поверхности молекулы оказываются полярные гидрофильные боковые группы.

Четвертичная структура (или субъединичная, доменная) — взаимное расположение нескольких полипептидных цепей в составе единого белкового комплекса. Белковые молекулы, входящие в состав белка с четвертичной структурой, образуются на рибосомах по отдельности и лишь после окончания синтеза образуют общую надмолекулярную структуру. В состав белка с четвертичной структурой могут входить как идентичные, так и различающиеся полипептидные цепочки.

4) Зависимость биологический функций от структуры белков.

5) Классификация белков

В соответствии с функциональным принципом различают 12 главных классов белков:

-каталитически активные белки (ферменты);

-белки-гормоны (хотя есть и стероидные гормоны);

-белки-регуляторы активности генома;

-защитные белки (антитела, белки свертывающей и антисвертывающей систем крови);

-токсические белки;

-транспортные белки;

-мембранные белки;

-сократительные белки;

-рецепторные белки;

-белки-ингибиторы ферментов;

-белки вирусной оболочки;

-белки с иными функциями.

В зависимости от химического состава делят на простые и сложные белки.

Простые белки построены из остатков аминокислот и при гидролизе распадаются соответственно только на свободные аминокислоты.

Сложные белки – это двухкомпонентные белки, которые состоят из какого-либо простого белка и небелкового компонента, называемого простетической группой. При гидролизе сложных белков, помимо свободных аминокислот, освобождается небелковая часть или продукты ее распада.

6) Простые и сложные белки

Все белки подразделяются на две большие группы: простые и сложные. Простые белки построены только из аминокислот, в состав сложных белков кроме аминокислот входят атомы металлов или других сложных веществ небелковой природы.

Простые белки отличаются друг от друга растворимостью в воде и других растворителях. Белки, способные растворяться в чистой дистиллированной воде, называются альбуминами. Примером альбуминов являются яичный белок, а также белки пшеницы и гороха. Белки, способные растворяться в слабом растворе поваренной соли, называются глобулинами. Представителями глобулинов можно назвать белки крови и многие растительные белки.

ложные белки. В зависимости от характера соединений небелковой природы, входящих в состав белков, они делятся на нуклеопротеины, хромопротеины, липопротеины и др.

Хромопротеины — окрашенные белки — широко распространены в живых организмах. Так, гемоглобин крови относится к хромопротеинам и содержит атомы железа. Нуклепротеины — сложные соединения, образовавшиеся в результате соединения белка и нуклеиновых кислот. Они встречаются во всех живых организмах и являются неотъемлемой частью ядра и цитоплазмы.

7) Структурные белки

Структурная функция белков заключается в том, что белки участвуют в образовании практически всех органоидов клеток, во многом определяя их структуру (форму);

образуют цитоскелет, придающий форму клеткам и многим органоидам и обеспечивающий механическую форму ряда тканей;

входят в состав межклеточного вещества, во многом определяющего структуру тканей и форму тела животных.

Коллагены — семейство белков, в теле человека составляют до 25 — 30 % общей массы всех белков. Кроме структурной функции коллаген выполняет также механическую, защитную, питательную и репаративную функции.

Молекула коллагена представляет собой правозакрученную спираль из трёх α-цепей.

Всего у человека имеется 28 типов коллагена. Все они сходны по структуре.

Эластин широко распространён в соединительной ткани, особенно в коже, легких и кровеносных сосудах. Общими характеристиками для эластина и коллагена являются большое содержание глицина и пролина. В эластине значительно больше валина и аланина и меньше глутаминовой кислоты и аргинина, чем в коллагене. В эластине содержатся десмозин и изодесмозин. эти соединения можно обнаружить только в эластине. Эластин нерастворим в водных растворах (как и коллаген), в растворах солей, кислот и щелочей даже при нагревании. В эластине большое количество аминокислотных остатков с неполярными боковыми группами, что, по-видимому, обусловливает высокую эластичность его волокон.

8) Биологические функции белков

Белки выполняют множество самых разнообразных функций, характерных для живых организмов.

 Каталитическая функция. Большинство  известных в настоящее время  ферментов, называемых биологическими  катализаторами, является белками. Эта функция белков, хотя и  не оказалась уникальной, определяет  скорость химических реакций в биологических системах.

Транспортная функция. Дыхательная функция крови, в частности перенос кислорода, осуществляется молекулами гемоглобина – белка эритроцитов. В транспорте липидов принимают участие альбумины сыворотки крови. Ряд других сывороточных белков образует комплексы с жирами, медью, железом, тироксином, витамином А и другими соединениями, обеспечивая их доставку в соответствующие органы-мишени.

Защитная функция. Основную функцию защиты в организме выполняет иммунная система, которая обеспечивает синтез специфических защитных белков-антител в ответ на поступление в организм бактерий, токсинов, вирусов или чужеродных белков.

Сократительная функция. В акте мышечного сокращения и расслабления участвует множество белковых веществ. Однако главную роль в этих жизненно важных процессах играют актин и миозин – специфические белки мышечной ткани.

Структурная функция. Белки, выполняющие структурную (опорную) функцию, занимают по количеству первое место среди других белков тела человека. Среди них важнейшую роль играют фибриллярные белки, в частности коллаген в соединительной ткани, кератин в волосах, ногтях, коже, эластин в сосудистой стенке и др.

Гормональная функция. Обмен веществ в организме регулируется разнообразными механизмами. В этой регуляции важное место занимают гормоны, синтезируемые не только в железах внутренней секреции, но и во многих других клетках организма. Ряд гормонов представлен белками или полипептидами, например гормоны гипофиза, поджелудочной железы и др.

Питательная (резервная) функция. Эту функцию выполняют так называемые резервные белки, являющиеся источниками питания для плода, например белки яйца (овальбумины). Основной белок молока (казеин) также выполняет главным образом питательную функцию.

9) Рецепторные белки, белки  клеточных мембран.

РЕЦЕПТОРНЫЕ БЕЛКИ, молекулы или мол. комплексы клетки, способные специфически связывать др. молекулы, несущие внешние для клетки регуляторные сигналы (напр., гормоны, нейромедиаторы), или реагировать на физ. факторы (напр., свет); благодаря конформац. изменениям, инду-цируемыми этими сигналами, рецепторные белки запускают определенные каскадные биохим. процессы в клетке, в результате чего реализуется ее физиол. ответ на внеш. сигнал.