Главная страница
qrcode

Курс лекций по биологической химии для студентов, обучающихся по специальности


НазваниеКурс лекций по биологической химии для студентов, обучающихся по специальности
Дата13.03.2020
Размер7 Mb.
Формат файлаdoc
Имя файлаKratkiy_kurs_2018.doc
ТипКурс лекций
#40086
страница1 из 23
Каталог
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   23



СМОЛЕНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ

АКАДЕМИЯ

Т.Г. Макаренко

КРАТКИЙ КУРС ЛЕКЦИЙ ПО БИОЛОГИЧЕСКОЙ ХИМИИ

для студентов, обучающихся по специальности

Педиатрия


Издание одобрено и рекомендовано к печати

Центральным методическим советом

Смоленской государственной медицинской академии

Смоленск

2014

УДК: 577.1 (071)

ББК: 28.072

М 151


Рецензенты: доктор медицинских наук, профессор А.В. Евсеев

кандидат медицинских наук, доцент В.В. Решедько


Краткий курс лекций по биологической химии для студентов, обучающихся по специальности Педиатрия. / Т.Г. Макаренко. Под редакцией Н.М. Стунжаса

Смоленск. СГМА. 2014.- 166 с.
Пособие содержит краткое изложение учебного материала по биохимии, как входящего в лекционный курс, так и, предназначенного для самостоятельного изучения. В пособие вошли профильные вопросы по особенностям обмена веществ в детском возрасте. Тесты, ситуационные задачи для оценки степени усвоения материала представлены в ранее изданных учебно-методических пособиях для самостоятельной подготовки к занятиям по биологической химии для студентов, обучающихся по специальности Педиатрия. Дополнительный иллюстративный материал содержится в презентациях лекционного курса. Пособие может быть полезным и для студентов других факультетов, изучающих биохимию.

Учебное пособие рекомендовано Центральным методическим советом
СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ БЕЛКОВ

Белки - высокомолекулярные полимерные азотсодержащие органические вещества, состоящие из аминокислот, соединённых пептидными связями, и имеющие сложную структурную организацию.

Термин «белки» обусловлен способностью данных соединений образовывать осадок белого цвета. Название «протеины» произошло от protos (греч.) – первый, важный, что отражает центральную роль этого класса веществ в организме.
1.1. Содержание белков в организме человека

Содержание белков в тканях организма человека выше, чем содержание липидов, углеводов. Оно составляет 18 – 20%. от общей массы тканей (сырой массы). Преобладание в тканях белков по сравнению с другими веществами наиболее наглядно выявляется при расчёте содержания белков на сухую массу тканей – 40 – 45%. Содержание белков в различных тканях колеблется в определённом интервале. Наиболее высоко содержание белков в скелетных мышцах (18 – 23% от сырой массы или 80% от сухой массы ткани). Низким содержанием белков отличается жировая ткань (6% сырой массы или 4% сухой массы ткани).

В детском возрасте общее количество белков в организме, их состав иные, чем у взрослых людей. В организме плода общее содержание белков не превышает 10% . У новорожденных детей оно составляет 10 – 12% массы тела. В период новорожденности наблюдается усиление процессов распада белков для энергетических целей. В силу этого содержание белков временно снижается. В раннем детском возрасте преобладают незрелые растворимые структурные белки. С возрастом усиливается их дифференцировка в зрелые функциональные белки.
1.2. Биологические функции белков

Биологическая роль белков многообразна. Функции белков связаны с их высокой специфичностью, способностью взаимодействовать с различными лигандами, рецепторами, структурами клеток.
Пластическая (структурная) функция – белки входят в состав всех клеточных структур вместе с нуклеиновыми кислотами, липидами, углеводами.
  • Энергетическая функция - 1г белков обеспечивает образование более 4 ккал энергии.
  • Регуляторные функции:
    а) ферментативная функция – более 2 тысяч белков являются биологическими катализаторами, регулируя скорость химических реакций в организме;

    б) гормональная функция – некоторые гормоны, регулирующие биохимические и физиологические процессы в организме, относятся к белкам;

    в) белки гистоны в составе хроматина регулируют активность генов ДНК;

    г) внутриклеточный белок кальмодулин регулирует активность различных ферментов;
    Защитная (иммунная) функция – такие белки как иммуноглобулины, интерферон, лизоцим обладают способностью связывать вещества, чужеродные для организма.
  • Специфические функции:
    а) сократительная функция (белки мышц актин и миозин);

    б) фоторецепторная функция (белок сетчатки родопсин);

    в) свёртывание крови (фибриноген);

    г) рецепторная функция – белки входят в состав клеточных рецепторов к биологически активным веществам.


    1.3. Химический состав белков
    1.3. 1. Элементарный состав белков

    Химический состав белков достаточно разнообразен. Основными химическими элементами являются углерод (51 – 55%), кислород (21 – 23%), азот (16% - наиболее постоянная величина), водород (6- 7%) и непостоянный элемент сера (0,5 – 2%).
    1.3.2. Аминокислотный состав белков

    Аминокислоты по химической природе являются производными карбоновых кислот, в которых атом водорода в α – положении замещён на аминогруппу.Номенклатура аминокислот. Аминокислоты имеют обычно тривиальные названия. В составе белков и пептидов они обозначаются тремя первыми буквами их названия. Например, валин – ВАЛ, треонин – ТРЕ и т.д.

    Классификация аминокислот. Аминокислоты классифицируют по структуре их углеводородного радикала и по полярности радикала аминокислот. Структура радикала и полярность аминокислот определяют характер образуемых ими связей в молекуле белка.

    По структуре радикала выделяют 7 групп аминокислот:
    аминокислоты, не имеющие радикала: глицин;
  • аминокислоты с углеводородным радикалом: аланин, валин, лейцин, изолейцин, фенилаланин, пролин;
  • аминокислоты, содержащие в радикале карбоксильную группу: глютаминовая, аспарагиновая кислоты, глютамин, аспарагин;
  • аминокислоты, содержащие в радикале аминогруппу: лизин, аргинин;
  • аминокислоты, содержащие в радикале гидроксильную группу: серин, треонин, тирозин, гидроксипролин, гидрокcилизин;
  • серосодержащие аминокислоты: цистеин, цистин, метионин;
  • аминокислоты, содержащие гетероциклический радикал: гистидин, триптофан;
    По полярности радикала аминокислоты делятся на две группы:
    неполярные (гидрофобные) аминокислоты: аланин, валин, лейцин, изолейцин, фенилаланин, триптофан, пролин, гидроксипролин, метионин, тирозин;
  • полярные (гидрофильные) аминокислоты:
    а) электронейтральные (незаряженные) аминокислоты: серин, треонин, цистеин, аспарагин, глютамин;

    б) кислые (отрицательно заряженные): глютаминовая, апарагиновая;

    в) основные (положительно заряженные) аминокислоты: лизин, аргинин, гистидин.

    1.4. Виды связей аминокислот в белках
    В молекуле белка различают прочные ковалентные связи: пептидные, дисульфидные и непрочные нековалентные связи: водородные, ионные, вандерваальсовые, гидрофобные.
    Пептидные связи (-СО-NН-) являются основным видом связей в белках. Впервые они были изучены А.Я. Данилевским (1888 г.). Пептидные связи образуются при взаимодействии α- карбоксильной группы одной аминокислоты и α - аминогруппой другой аминокислоты. Пептидная связь является сопряжённой связью, электронная плотность в ней смещена от азота к кислороду, в силу чего она занимает промежуточное положение между одинарной и двойной связью. Длина пептидной связи составляет 0,132 нм. Вращение атомов вокруг пептидной связи затруднено, атомы О и Н в ней находятся в транс-положении. Все атомы пептидной связи располагаются в одной плоскости. Атомы Н пептидной связи могут дополнительно образовывать водородные связи с атомом О другой пептидной связи. Пептидные связи определяют порядок чередования аминокислот в полипептидной цепи белка, т.е. формируют первичную структуру белка. Пептидные связи – прочные связи (энергия разрыва составляет около 95 ккал/моль). Расщепление пептидных связей осуществляется при кипячении белка в присутствии кислот, щелочей или под действием ферментов пептидаз.

    Дисульфидные связи(-S- S-) образованы двумя молекулами цистеина в составе белковой молекулы. Возможны внутрицепочечные дисульфидные «мостики» в пределах одной полипептидной цепи и межцепочечные связи между отдельными полипептидными цепями. Например, в молекуле гормона инсулина присутствуют оба варианта дисульфидных связей. Дисульфидные связи влияют на пространственную укладку белковой молекулы, т.е. на третичную структуру белков. Дисульфидные связи разрываются при действии некоторых восстановителей и при денатурации белка.

    Водородные связивозникают между электронодефицитным атомом водорода и электроотрицательным атомом (чаще кислородом). Водородные связи примерно в 10 раз слабее пептидных связей. Наиболее часто они возникают между атомом Н и атомом О различных пептидных связей: либо близко расположенных в молекуле белка, либо находящихся в разных полипептидных цепях. Большое количество водородных связей фиксирует в белках в основном вторичную структуру (α - спираль и β - складчатую структуру) а также участвует в образовании третичной и четвертичной структур белка. Непрочные водородные связи легко разрываются при денатурации белка.

    Ионные связи

    Ионные связи образуются между противоположно заряженными аминокислотами в составе белковой молекулы (положительно заряженными лизином, аргинином, гистидином и отрицательно заряженными глютаматом и аспартатом). Ионные связи влияют на пространственную укладку белков, т.е. формируют третичную и четвертичную структуры белков. Ионные связи нарушаются при изменении рН среды, при денатурации.

    Вандерваальсовые взаимодействия

    Вандерваальсовые взаимодействия разновидность связей, возникающих при кратковременной поляризации атомов.

    Гидрофобные связи

    Гидрофобные связи возникают между неполярными (гидрофобными) радикалами аминокислот в полярном растворителе (вода). Гидрофобные радикалы погружаются внутрь белковой молекулы, меняя пространственное расположение полипептидной цепи. Гидрофобные взаимодействия имеют энтропийную природу, придают устойчивость молекуле белка, участвуя в формировании его третичной, а также четвертичной структуры.
    1. 5. Структурная организация белков

    Принято выделять четыре уровня структурной организации белков, которые обозначаются как первичная, вторичная, третичная и четвертичная структуры белков.
    1. 5. 1. Первичная структура белков

    Первичная структурапорядок чередования аминокислот в полипептидной цепи.

    Впервые первичная структура изучена в 1954 году Ф. Сенджером для гормона инсулина. Изучение первичной структуры представляет сложный процесс и включает два основных этапа: изучение аминокислотного состава и изучение последовательности соединения аминокислот в полипептидной цепи.
    Изучение аминокислотного состава белка осуществляется путём его гидролиза до аминокислот. Для разрыва прочных пептидных связей между аминокислотами используют кислотный, щелочной и ферментативный гидролиз белка. Кислотный гидролиз осуществляется путём кипячения раствора белка с 6-нормальным раствором соляной кислоты в течение 16 - 92 часов. Щелочной гидролиз производится кипячением раствора белка с 2-4 нормальным раствором NaOH в течение 4 – 8 часов. Ферментативный гидролиз происходит при участии ферментов протеиназ (пептидаз): трипсин, пепсин. В отличие от кислотного и щелочного гидролиза ферментативный гидролиз (протеолиз) специфичен, при нём ферменты расщепляют только определённые связи в белках. Окончание процесса гидролиза оценивают по двум признакам: а) по отсутствию положительной биуретовой реакции на пептидные связи и б) по окончанию прироста концентрации аминогрупп и карбоксильных групп в гидролизате. Динамику прироста аминогрупп и карбоксильных групп оценивают методом формольного титрования, связывая формальдегидом аминогруппы аминокислот, освобождающихся при гидролизе белка. Образовавшиеся при гидролизе аминокислоты идентифицируют хроматографическими методами, основанными на различных физико-химических свойствах аминокислот.
  • Исследование последовательности аминокислот в составе белка, в свою очередь, проводится различными методами. Белки с высокой молекулярной массой предварительно подвергаются частичному ферментативному гидролизу до коротких пептидов. Затем в полученных коротких пептидах определяются последовательно более доступные для исследования концевые аминокислоты, находящиеся или на N-конце, или на С-конце пептида.
    С целью распознавания С - и N -концевых аминокислот применяются ферментативные методы. Ферменты а

    Аминопептидазы Карбоксипепетидазы

    Наряду с ферментативными используются химические методы распознавания концевых аминокислот:

    заключаются в присоединении к N -концевой аминокислоте какой - то «химической метки» при помощи связи, более прочной, чем пептидная связь. При последующем г
    реактив Сенджера - динитрофторбензол С
    6
    Н
    5(NO2)2F. Этот метод неудобен, тем, что он предполагает одноразовое исследование. В связи с этим чаще используют реактив Эдмана - фенилизотиоцианатнат С6Н5-N(S)=C. Одновременно с присоединением фенилизотиоцианата к N –концевой аминокислоте происходит образование циклического продукта и ослабление связи N-концевой аминокислоты с соседней аминокислотой полипептидной цепи. С помощью последующего мягкого гидролиза осуществляется отщепление меченой N-концевой аминокислоты с сохранением остальной части белковой молекулы. Вторая аминокислота с N-конца в результате становится концевой и распознается повторным применением реактива (смотри схему).




    Метод Акобори заключается в использовании фенилгидразина. Фенилгидразин разрывает пептидные связи в белке и присоединяется ко всем аминокислотам, кроме C-концевой. Последующий хроматографический анализ позволяет распознать С - концевую аминокислоту в составе белка (смотри схему).


    Исследование первичной структуры имеет важное общебиологическое и медицинское значение:
    Первичная структура является определяющей для последующих структур белка.
  • Знание первичной структуры белка необходимо для искусственного синтеза белков с заданными биологическими свойствами.
  • Первичная структура определяет видовую специфичность белков, например, в белке инсулине, обычно в середине молекулы у различных видов животных и человека происходит замена, как правило, одной из 3-х равноценных по свойствам радикалов аминокислот.
  • Изменения в первичной структуре могут причиной молекулярных патологий. Например, при серповидноклеточной анемии в гемоглобине в β - цепи в 6 положении глютаминовая кислота заменяется на валин. Эта замена на неравноценную по свойствам радикала аминокислоту приводит к нарушению функции гемоглобина и появлению серповидной формы эритроцитов.
    В белковой молекуле при чередовании жестких (пептидная связь) и гибких (α -углеродный атом) участков формируется компактная укладка цепи в пространстве.
    1. 5. 2. Вторичная структура белков

    Вторичная структура - регулярно повторяющаяся форма укладки полипептидной цепи в пространстве. Чаще всего в белках встречается 2 вида вторичной структуры: α - спираль и β – складчатая структура.

    α – спираль в 1951 году изучена Л. Полингом с помощью рентгеноструктурного метода. Она представляет собой правозакрученную спиральную структуру, в одном витке которой укладывается 3,6 аминокислоты. Шаг спирали (расстояние между соседними витками) составляет 0,54 н.м. α - спираль фиксируется водородными связями, которые замыкаются между пептидными связями, образованными каждой 4-ой аминокислотой. Вторичная α - структура формируется самопроизвольно и определяется первичной структурой белка. Доля участков, уложенных в спиральную структуру, в различных белках различна. Например, в гемоглобине, миоглобине преобладает α - структурная укладка, которая в 4 раза уменьшает размеры белковой молекулы.

    имеет вид «гармошки» и стабилизируется водородными связями между удалёнными участками одной полипептидной цепи или между несколькими полипептидными цепями. Выделяют параллельные β – структуры, в которых N и С-концы соответствуют друг другу, и антипараллельные структуры. Примером белков, содержащих преимущественно β – структуры, являются фиброин шёлка, иммуноглобулины.
    Вторичная структура белков (А - α – спираль, Б - β – структура)

    Вторичную структуру изучают методами рентгеноструктурного анализа, исследованием поглощения белком ультрафиолетовых лучей (чем больше доля α – структур, тем больше поглощение).

    Вторичная структура белков разрушается при денатурации.
    1. 5. 3. Третичная структура белков

    Третичная структура - специфическая для каждого белка форма укладки полипептидной цепи в пространстве. Данная структура формируется самопроизвольно и определяется первичной структурой. Третичная структура значительно, в десятки раз увеличивает компактность белка. В формировании третичной структуры участвуют нековалентные связи (гидрофобные, ионные) и ковалентные (дисульфидные) связи, изображённые на рисунке.

    Третичная структура определяет биологическую активность и некоторые физико-химические свойства белков. Изменения в третичной структуре белка отражается на его биологической активности.

    Методами изучения третичной структуры являются рентгеноструктурный анализ и определение химической доступности отдельных радикалов аминокислот в белке. Третичная структура белка миоглобина впервые была изучена Дж. Кендрью (1957 г.). М. Перутцем (1959 г.) была изучена структура гемоглобина.

    В третичную структуру белков входят α - спиральные, β - складчатые структуры, β- петли (в них полипептидная цепь изгибается на 1800) и, так называемый, неупорядоченный клубок. Например, в белке инсулине содержится 57% α - спиральных участков, 6% β- складчатых структур, 10% молекулы уложены в виде β - петель и 27% молекулы представляют неупорядоченный клубок.

    Совокупность первичной, вторичной, третичной структур составляет конформацию белковой молекулы. Прижизненная (нативная) конформация формируется самопроизвольно, и её образование носит название фолдинг. Конформация белков очень неустойчива и формируется при участии особых белков – шаперонов (компаньонов). Шапероны способны связываться с частично денатурированными, находящимися в неустойчивом состоянии белками, и восстанавливать их нативную конформацию. Шапероны классифицируют по их молекулярной массе (60 – 100 кд.). Наиболее изучены Ш-60, Ш-70 и Ш-90. Например, Ш-70 взаимодействуют с белками, богатыми гидрофобными радикалами, защищают их от высокотемпературной денатурации. В целом шапероны экранируют основные белки организма, препятствуют денатурации и способствуют формировании конформации, облегчают транспорт денатурированных белков в лизосомы, участвуют в процессе биосинтеза белков.

    По конформации все белки делятся на три группы:
    фибриллярные белки: коллаген, эластин, фиброин;
  • глобулярные белки: гемоглобин, альбумин, глобулин;
  • смешанные белки: миозин.
    Третичная структура присуща всем белкам.
    1.5.4. Четвертичная структура белков

    Четвертичной структурой обладают белки, состоящие из нескольких полипептидных цепей, ковалентно не связанных друг с другом. Их называют олигомерными белками. Протомером считается отдельная полипептидная цепь, имеющая три уровня структурной организации, субъединицей – функционально активная часть олигомерного белка. Субъединица может содержать один протомер или несколько протомеров. Четвертичная структура - количество и взаимное расположение субъединиц в олигомерных белках.

    В формировании четвертичной структуры участвуют непрочные нековалентные связи (гидрофобные, ионные, водородные). Четвертичная структура белков формируются самопроизвольно, и легко нарушается различными воздействиями. Отдельные субъединицы в олигомером белке влияют друг на друга, что приводит к изменению третичной структуры отдельных протомеров. Это явление называется кооперативными изменениями конформации протомеров и сопровождается изменением биологической активности белка.

    Олигомерные белки имеют ряд особенностей в сравнении с мономерными белками:
    имеют очень компактную укладку и относительно небольшую поверхность раздела, поэтому, располагаясь внутриклеточно, они связывают меньше воды;
  • они функционально более приспособлены к условиям организма, поскольку их активность в организме регулируется через кооперативность свойств;
  • если в синтезе олигомерного белка участвуют однотипные протомеры, это экономит генетический материал (на коротком участке ДНК «штампуется» несколько одинаковых протомеров в силу чего уменьшается чатота ошибок при синтезе);
  • их потеря клетками менее вероятна;
    Уникальную функциональность олигомерных белков иллюстрирует сравнение белков гемоглобина и миоглобина, участвующих в переносе кислорода в ткани. Гемоглобин эритроцитов - олигомерный белок, включает 4 полипептидные цепи. Миоглобин мышц – мономерный белок, включает 1 полипептидную цепь. Кривая насыщения кислородом у миоглобина свидетельствует о прямой зависимости её от концентрации кислорода. Для гемоглобина кривая насыщения кислородом носит S-образный характер. Это связано с постепенным последовательным изменением структуры (конформации) каждого из 4-х протомеров в составе гемоглобина, в результате чего резко возрастает сродство гемоглобина к кислороду. Такой характер насыщения гемоглобина кислородом значительно повышает его кислородную ёмкость по сравнению с миоглобином.

    Графики насыщения миоглобина и гемоглобина кислородом при перепаде парциального давления кислорода в венозной (В) и артериальной крови (А) представлены

    ниже.
    1. 5. 5. Доменные белки

    Особое положение среди белков занимают доменные белки.

    Домены – структурно и функционально обособленные участки одной полипептидной цепи. Домены могут отвечать за взаимодействие белка с различными веществами - лигандами (низкомолекулярные вещества, ДНК, РНК, полисахариды и др.) Примерами доменных белков служат альбумин сыворотки крови, иммуноглобулины, некоторые ферменты (трипсин поджелудочной железы).
    В силу высокой избирательности белков они могут объединяться в комплексы, которые чаще всего называются полиферментными комплексами – структурные объединения нескольких ферментов, катализирующих отдельные стадии сложного химического процесса. Например: пируватдегидрогеназный комплекс (ПДК) включает три вида ферментов, катализирующий окисление пировиноградной кислоты (ПВК).

    Возможно специфическое соединение не только отдельных белков, но и белков с липидами (жирами) при образовании клеточных мембран, белков с нуклеиновыми кислотами при формировании хроматина.
    1. 6. Физико-химические свойства белков

    Физико-химические свойства белков зависят от особенностей аминокислотного состава, а также от конформации белковой молекулы. Физико-химические свойства белков проявляются в растворах.

    1.6. 1. Растворимость белков

    В целом растворимость белков высока, но различна для разных видов белков. На неё влияют следующие факторы:
    форма белковой молекулы (глобулярные белки растворимы лучше, чем фибриллярные белки);
  • характер радикалов аминокислот белка, соотношение полярных и неполярных радикалов (чем больше в составе белка полярных гидрофильных радикалов, тем лучше его растворимость);
  • свойства растворителя, присутствие солей. Невысокая концентрация солей ( NaCl) иногда повышает растворимость белков. Например, альбумины лучше растворимы в чистой дистиллированной воде, глобулины растворяются только в присутствии 10% солей ( NaCl). Белки соединительной ткани коллаген и эластин не растворимы ни в воде, ни в солевых растворах.

    1. 6. 2. Молекулярная масса белков

    Молекулярная массабелков достаточно велика, находится в пределах от 6 000 Д. до 100 000 Д. Например, молекулярная масса гемоглобина – 68 000 Д., альбумина сыворотки крови – 66 000 Д., рибонуклеазы – около 14 000 Д., миозина – 500 000 Д.

    Методы определения молярной массы белков должны быть щадящими, не разрушающими белковые молекулы. Например, к белкам не применим эбулиоскопический метод, основанный на измерении температуры кипения растворов. Наиболее точными методами определения молекулярной массы белков являются метод ультрацентрифугирования и рентгеноструктурный метод.

    Метод ультрацентрифугирования (седиментации) основан на изменении скорости осаждения белков различной молекулярной массы под действием центробежных сил при вращении белковых растворов с большой скоростью. Молекулярная масса белков, найденная под воздействием мощных центробежных сил, создаваемых в ультрацентрифугах, выражается в единицах Сведберга (S=10-13c.).

    Рентгеноструктурный метод позволяет рассчитать молекулярную массу путём анализа многочисленных рентгеновских снимков молекулы белка.

    Электрофоретический метод основан на зависимости скорости передвижения белков в постоянном электрическом поле от молекулярной массы белка (электрофоретическая подвижность выше у белков с меньшей молекулярной массой).

    Метод гельфильтрации основан на различной скорости прохождения различных белков через молекулярные гелевые «сита», например, сефадексы.
    Схема гель – фильтрации

    Крупные молекулы, превышающие размеры пор геля, проходят через гель быстрее, чем более мелкие молекулы белка, которые задерживаются внутри зёрен геля.

    Электронномикроскопический метод проводится путём сравнения размеров белковой молекулы с эталонными образцами известной массы.

    Химические методы связаны с особенностями химического состава белков.

    1.6.3. Размеры и форма белковых молекул

    Форма белковых молекулразлична. Белковые молекулы по форме могут быть фибриллярными и глобулярными. Фибриллярные белки имеют нитевидную форму молекулы. Они, как правило, не растворимы в воде и в разбавленных солевых растворах. К фибриллярным белкам относятся основные структурные белки соединительной ткани: коллаген, кератин, эластин. У глобулярных белков полипептидные цепи плотно свёрнуты в компактные сферические структуры. Большинство глобулярных белков хорошо растворяются в воде и слабых солевых растворах. К глобулярным белкам относятся ферменты, антитела, альбумины, гемоглобин. Некоторые белки имеют промежуточный вид молекулы, содержат в своём составе и нитевидные, и шаровидные участки. Примером таких белков служит белок мышц миозин, растворимый в солевых растворах.

    Размерыбелковых молекул находятся в интервале от 1 до 100 нм, близком к размерам коллоидных частиц. В силу этого белковые растворы обладают свойствами, как истинных растворов, так и коллоидных растворов.
    1.6.4. Свойства растворов белков, сходные со свойствами коллоидных растворов

    Многие молекулярно - кинетические свойства белковых растворов сходны со свойствами коллоидных растворов.
    Медленная скорость диффузии белков;
  • Н
  • Высокая вязкость растворов белков обусловлена различными межмолекулярными взаимодействиями крупных белковых молекул. Повышенная вязкость крови, в частности, повышает нагрузку на сердечную мышцу;
  • Некоторые белки способны образовывать гели, что увеличивает прочность белков (например, коллаген).

    1.6.5. Оптические свойства белковых растворов

    Оптические свойства белков определяются размерами белковых молекул, структурой радикалов аминокислот в белках, а также наличием пептидных связей и альфа-спиральных участков в белках.
    Белковые растворы обладают эффектом светопреломления (рефракции) и светорассеивания. Данные свойства обусловлены большими размерами белковых молекул, соизмеримыми с длиной волны видимой части спектра.. При этом короткие синие лучи рассеиваются в большей степени, чем более длинноволновые красные лучи. Степень рефракции пропорциональна концентрации белкового раствора.
  • Белковые растворы поглощают ультрафиолетовые лучи в диапазоне 190-230 нм за счёт присутствия пептидных связей и в диапазоне 260-280 нм за счёт присутствия в белках аминокислот фенилаланина и тирозина. Степень поглощения УФЛ пропорциональна концентрации белка в растворе.
  • Белковые растворы способны вращать плоскость поляризованного света, что обусловлено оптической активностью содержащихся в белке аминокислот и наличием в нём альфа-спиральных участков. Изменение угла вращения поляризованного луча света изменяется при денатурационных воздействиях.
    1.6.6. Факторы устойчивости растворов белков

    Будучи молекулярными растворами, белковые растворы отличаются высокой устойчивостью в отличие от коллоидных растворов. Устойчивость белковым растворам придают два фактора: заряд белковой молекулы и гидратная оболочка.
    1.6.6. 1. Заряд белковой молекулы

    Появление заряда на молекулах белков связано с их амфотерными свойствами (наличием кислотных и основных свойств). Группы, способные приобретать заряды, называются ионогенными. К ним относятся СООН - группы глютамата, аспартата, СООН - группы С-концевых аминокислот, NH
    +).

    При рН = 2-4 половина карбоксильных групп в белках находится в ионизированном состоянии (–СОО-), половина – в неионизированном виде(–СООН). При физиологических значениях рН в интервале 7,35 – 7,45 (более щелочная среда) преобладает ионизированная форма карбоксильных групп, что определяет суммарный +)

    При рН около 10 половина аминогрупп белков ионизирована, а половина не ионизирована. При физиологических величинах рН =7.4 (более кислая среда) преобладает ионизированная форма аминогрупп (NH+), придающая белковым молекулам суммарный Из всех аминокислот только гистидин обладает буферными свойствами при рН = 6-7. Входя в состав белка гемоглобина, гистидин определяет его буферные свойства, необходимые для связывания кислорода.

    Изменениями величины рН среды белок можно перевести в особое изоэлектрическое (электронейстральное) состояние, в котором сумма положительных зарядов равна сумме отрицательных зарядов, а молекула в целом электронейтральна

    (+Н-). Значение рН, при котором молекула белка электронейтральна, называется изоэлектрической точкой (ИЭТ). Для большинства белков изоэлектрическая точка находится в слабо кислой среде (рН = 5-5,5). В то же время для гистонов ИЭТ находится в щелочной среде (рН= 9-11). В изоэлектрическом состоянии белки менее устойчивы, чем при наличии зарядов, поскольку одинаковый по знаку заряд белковой молекулы является фактором электростатического отталкивания белковых молекул, определяет ионные связи в белках и формирует наиболее стабильную конформацию белковой молекулы.

    Таким образом, заряд белковой молекулы является одним из стабилизирующих факторов, препятствующим осаждению белков из растворов.
    1.6.6.2. Формирование гидратной (водной) оболочки

    Белки обычно имеют такую пространственную укладку, при которой гидрофобные группы «прячутся» в глубине белковой молекулы, а гидрофильные находятся на поверхности молекулы. К гидрофильным группам относятся – СООН, –NH
    Таким образом, гидратная оболочка белковых молекул является вторым мощным стабилизирующим фактором белковых растворов.

    Если каким-то воздействием убрать один или оба стабилизирующие факторы, то белки выпадают в осадок (происходит осаждение белков).
    1.7. Осаждение белков из растворов
    Изоэлектрическое осаждение - при приближении рН раствора к изоэлектрической точке, белок теряет заряд и осаждается из раствора (пример: осаждение казеина молока при его скисании). Этот процесс осаждения в начальных стадиях носит обратимый характер и может быть использован для разделения белков.
  • Дегидратация – снятие водной оболочки белковой молекулы при добавлении дегидратирующих средств (спирт, ацетон). Этот процесс также обратим, и используется для разделения белков.
  • Высаливание – осаждение белков концентрированными растворами электронейтральных или слабокислых солей, таких как NaCl, KCl, (NH
  • Денатурация – нарушение физико-химических свойств белка, его биологической активности при воздействии факторов, разрушающих вторичную, третичную, четвертичную структуры белка.
    При денатурации белковая молекула теряет свою прижизненную (нативную) структуру и переходит в форму неупорядоченного клубка, на поверхности которого располагается много гидрофобных групп, что резко снижает растворимость белка.

    Признаками денатурации являются:
    выпадение осадка;
  • изменение оптических свойств;
  • изменение активности его химических групп и конформации белковой молекулы;
  • снижение биологической активности;
  • более быстрое расщепление ферментами пептидазами.
    К денатурирующим факторам относятся
    На начальных стадиях денатурация носит обратимый характер и возможна ренатурация – восстановление структуры белка. При продолжительном действии денатурирующих факторов она приобретает необратимый характер. Денатурацию белков применяют для обнаружения белков в растворах и биологических жидкостях, для удаления белков из биологических жидкостей при проведении биохимических исследований.
    1.8. Методы количественного определения белков

    Для определения концентрации белков в биологических жидкостях и растворах используются оптические, колориметрические и азотометрические методы.

    Оптические методы основаны на оптических свойствах белков. К ним относятся:
    . Степень УФЛ - поглощения пропорциональна концентрации белка;
  • Колориметрические методы основаны на цветных реакциях белков – биуретовая реакция, метод Лоури, метод сорбции белками определённых красителей. Интенсивность окраски определяется концентрацией белкового раствора.

    Азотометрические методы основаны на определении содержания азота и пересчёте его на концентрацию белка (в белках 16% азота).
      1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   23

    перейти в каталог файлов


  • связь с админом